Warum verformen sich Unterlegscheiben aus weichen Materialien bei einem zu hohen Anzugsdrehmoment?

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Das Verformen von Unterlegscheiben aus weichen Materialien (wie Kupfer, Aluminium, Kunststoffen oder weichen Legierungen) bei einem zu hohen Anzugsdrehmoment lässt sich durch grundlegende physikalische und werkstofftechnische Prinzipien erklären.

Hier sind die Hauptgründe:

1. Überschreitung der Streckgrenze (Elastizität vs. Plastizität)

Jedes Material hat eine sogenannte Streckgrenze. Bis zu diesem Punkt verformt sich das Material elastisch (es kehrt in seine Ursprungsform zurück, wenn der Druck nachlässt).

  • Weiche Materialien haben eine sehr niedrige Streckgrenze.
  • Wird das Anzugsdrehmoment zu hoch gewählt, wandelt sich die Drehkraft in eine massive axiale Zugkraft der Schraube um, die die Unterlegscheibe zusammenpresst.
  • Sobald diese Druckkraft die Streckgrenze des Materials überschreitet, tritt plastische Verformung ein: Das Material wird dauerhaft verformt und „fließt“.

2. Zu hohe Flächenpressung

Die Flächenpressung ($p$) berechnet sich aus der Kraft ($F$) geteilt durch die Fläche ($A$), auf die sie wirkt ($p = F / A$).

  • Beim Anziehen der Schraube drückt der Schraubenkopf oder die Mutter auf die relativ kleine Ringfläche der Unterlegscheibe.
  • Weiche Materialien können nur eine begrenzte Grenzflächenpressung aufnehmen. Wird dieser Wert überschritten, kann das Material dem Druck nicht mehr standhalten und wird seitlich weggedrückt (es „breitet sich aus“).

3. Materialfluss (Kriechen)

Besonders bei Kunststoffen oder sehr weichen Metallen (wie Blei oder weichem Kupfer) tritt bei hohem Druck ein „Fließen“ auf. Da das Material nirgendwo anders hin kann, wird es unter dem Druck des Schraubenkopfes nach außen und innen (in das Gewindeloch) verdrängt. Die Scheibe wird dünner und ihr Durchmesser vergrößert sich.

4. Querkontraktion

Wenn ein Material in einer Richtung (vertikal durch die Schraube) stark komprimiert wird, hat es die Tendenz, sich in der Querrichtung (horizontal) auszudehnen. Da weiche Materialien eine geringere innere Bindungskraft (Kohäsion) haben, die dieser Ausdehnung entgegenwirkt, verformen sie sich deutlich sichtbarer als harte Stahlscheiben.

Warum ist das ein Problem?

Wenn sich eine Unterlegscheibe plastisch verformt, hat das negative Folgen für die Schraubverbindung:

  • Vorspannkraftverlust: Wenn die Scheibe „nachgibt“ oder dünner wird, verringert sich die Spannung der Schraube. Die Verbindung lockert sich (man nennt das auch Setzen).
  • Undichtigkeit: Bei Dichtringen (z. B. Kupferringen an Ölablassschrauben) führt eine zu starke Verformung dazu, dass das Material reißt oder ungleichmäßig wird, wodurch die Dichtwirkung verloren geht.
  • Beschädigung des Bauteils: Das weiche Material kann in das Gewinde gepresst werden, was die Demontage erschwert.

Fazit: Weiche Unterlegscheiben sind oft dazu da, Unebenheiten auszugleichen oder abzudichten. Sie funktionieren nur optimal, wenn das Drehmoment so gewählt wird, dass sie zwar fest gepresst, aber nicht über ihre Materialbelastungsgrenze hinaus gequetscht werden.