Eine Werkstoffdatenbank ist eine strukturierte, durchsuchbare Sammlung von Werkstoffinformationen, also zum Beispiel Zusammensetzung, mechanische und physikalische Eigenschaften, Kurven und Normangaben. Gute Werkstoffdatenbanken liefern zu jedem Wert auch den Kontext: Werkstoffzustand, Prüfbedingungen, Einheit und Quelle. Ohne diesen Kontext lässt sich ein Kennwert für Konstruktion oder Simulation kaum bewerten.
Dieser Beitrag behandelt Werkstoffdatenbanken als Datenquelle. Wie Unternehmen eigene und externe Werkstoffdaten über Prozesse und Systeme hinweg verwalten, beschreibt der Beitrag Werkstoffdatenmanagement.
Arten von Werkstoffdaten
Werkstoffdatenbanken unterscheiden sich vor allem darin, welche Art von Daten sie enthalten:
| Art | Typischer Inhalt | Beispiel |
|---|---|---|
| Norm- und Registrierdaten | Bezeichnungen, chemische Grenzwerte, in Normen festgelegte oder bei Verbänden registrierte Angaben | Register Europäischer Stähle in StahlDat SX; Teal Sheets mit den bei der Aluminum Association registrierten Bezeichnungen und chemischen Grenzwerten |
| Prüfdaten | gemessene Kennwerte und Kurven aus Prüfprogrammen | Fließkurven, Härtbarkeitskurven, thermophysikalische Prüfdaten in StahlDat SX |
| Herstellerdaten | Angaben aus Datenblättern von Werkstoffherstellern | Polymaster mit Daten aus Herstellerdatenblättern |
| Zeitabhängige Daten | Zeitstandfestigkeit und Kriechverhalten bei hohen Temperaturen | Zeitstanddaten für Eisen-, Nickel- und Kobaltbasislegierungen |
| Simulationsdaten | berechnete Eigenschaften für Zusammensetzungen und Zustände | temperaturabhängige Eigenschaften aus JMatPro |
| Allowables | statistisch abgesicherte Auslegungskennwerte | MMPDS für metallische Luftfahrtwerkstoffe |
Die Arten lassen sich nicht beliebig mischen. Ein in einer Norm festgelegter Mindestwert, ein typischer Wert aus einem Datenblatt und ein statistisch abgesicherter Auslegungswert beantworten unterschiedliche Fragen, auch wenn sie dieselbe Eigenschaft beschreiben.
Allowables: statistisch abgesicherte Kennwerte
In der Luftfahrt müssen Auslegungskennwerte auf ausreichend vielen Versuchen beruhen und statistisch abgesichert sein. Die US-Zulassungsvorschrift 14 CFR § 25.613 verlangt zum Beispiel für Bauteile mit einzelnem Lastpfad Werte, die mit 99 % Wahrscheinlichkeit bei 95 % Konfidenz erreicht werden, und für redundante Strukturen 90 % Wahrscheinlichkeit bei 95 % Konfidenz.
MMPDS (Metallic Materials Properties Development and Standardization) veröffentlicht für metallische Werkstoffe entsprechende Kennwerte, unter anderem als A-Basis- und B-Basis-Werte. Die Werte sind von FAA, DoD und NASA im Rahmen ihrer Grenzen anerkannt. Über mmpds.eu bietet Matplus Zugang zu MMPDS.
Die Basiswerte unterscheiden sich in ihrer statistischen Absicherung. Der A-Basis-Wert ist der niedrigere aus dem statistisch berechneten T99-Wert, den mindestens 99 % der Grundgesamtheit mit 95 % Konfidenz erreichen oder überschreiten, und dem Spezifikationsminimum (S-Basis). Der B-Basis-Wert beruht entsprechend auf dem T90-Wert. Der S-Basis-Wert ist der in der Werkstoffspezifikation festgelegte Mindestwert. Typische Werte aus Datenblättern sind dagegen keine statistisch abgesicherten Auslegungswerte.
Kurven, Temperatur und Zeit
Viele Eigenschaften sind keine Einzelwerte, sondern Kurven oder mehrdimensionale Datenfelder. StahlDat SX enthält zum Beispiel Härtbarkeitskurven, Fließkurvenmodelle, thermophysikalische Prüfdaten und über 400 ZTU-Diagramme. Die JAHM Datenbank stellt temperaturabhängige Kennwerte wie Elastizitätsmodul, Wärmeausdehnung und Wärmeleitfähigkeit bereit, nach eigenen Angaben für mehr als 18.900 Werkstoffe in 184.000 Datenkurven mit 50 Eigenschaften.
Bei hohen Temperaturen kommt die Zeit hinzu. Werden Stähle und Hochtemperaturlegierungen über längere Zeit oberhalb von etwa 0,4 ihrer absoluten Schmelztemperatur beansprucht, werden Festigkeit und Verformung zeitabhängig. Festigkeitswerte bei Raumtemperatur beschreiben dieses Verhalten nicht; für die Auslegung werden dann Zeitstanddaten benötigt.
Kriterien für die Auswahl einer Werkstoffdatenbank
- Abdeckung: Enthält die Datenbank die benötigten Werkstoffgruppen, Zustände und Erzeugnisformen?
- Eigenschaften: Gibt es die benötigten Eigenschaften, auch temperaturabhängig oder als Kurve, und nicht nur Einzelwerte bei Raumtemperatur?
- Art der Werte: Ist erkennbar, ob es sich um Normwerte, Prüfwerte, typische Werte, berechnete Werte oder Allowables handelt?
- Herkunft: Sind Quelle, Normausgabe, Prüfbedingungen und gegebenenfalls Stichprobenumfang angegeben?
- Bezeichnungsvergleich: Lassen sich Werkstoffe über nationale und internationale Bezeichnungen finden und vergleichen? Für Stahl leistet das die Werkstoffnummer, für Kupferwerkstoffe zum Beispiel der Kupferschlüssel.
- Pflege: Wird die Datenbank aktualisiert, wenn sich Normen ändern oder neue Werkstoffe hinzukommen?
- Nutzung: Lassen sich Daten exportieren, etwa für CAE-Systeme, und in eigene Systeme übernehmen? Welche Nutzungsrechte gelten?
Datenqualität und Herkunft
Für die Bewertung eines Werts zählt weniger die Datenbank als die Angaben zum einzelnen Datensatz. Wichtige Fragen sind: Welcher Werkstoff in welchem Zustand wurde geprüft? Unter welchen Bedingungen? Ist der Wert ein Einzelwert, ein Mittelwert, ein Mindestwert oder statistisch abgesichert? Aus welcher Quelle und welcher Ausgabe stammt er?
Für Stahl hilft die eindeutige Werkstoffnummer, Daten aus verschiedenen Quellen derselben Stahlsorte zuzuordnen. Berechnete Werte aus der Werkstoffsimulation sollten als solche gekennzeichnet bleiben.
Werkstoffdatenbanken von Matplus
Matplus bietet eine Reihe von Werkstoffdatenbanken an, darunter:
- Matglobe®: Referenzdaten für Engineering, Design und Modellierung
- MMPDS: statistisch abgesicherte Auslegungskennwerte für metallische Werkstoffe
- StahlDat SX: Register Europäischer Stähle (Stahl-Eisen-Liste) sowie Feinblechdaten, Härtbarkeitskurven, ZTU-Daten, Fließkurven und thermophysikalische Prüfdaten
- Polymaster: Polymere und Polymerverbundwerkstoffe mit Daten aus Herstellerdatenblättern
- Aluselect: mechanische, physikalische und chemische Eigenschaften gängiger Aluminiumlegierungen
- Teal Sheets: bei der Aluminum Association registrierte Legierungsbezeichnungen mit chemischen Grenzwerten von mehr als 500 Aluminium-Knetlegierungen
- Kupferschlüssel: Vergleich nationaler und internationaler Normen, Werkstoffblätter und Eigenschaften von Kupferwerkstoffen, ein Angebot des Kupferverbands e.V., technisch umgesetzt von Matplus
- Zeitstanddaten: Zeitstanddaten für Eisen-, Nickel- und Kobaltbasislegierungen; die zugrunde liegende Buchausgabe von 2019 umfasst 199 Eisen-, 77 Nickel- und 23 Kobaltbasislegierungen
- JAHM Datenbank: temperaturabhängige Werkstoffeigenschaften für FEA und CAD