Werkstofftechnik - Metall

Der Zugversuch stellt ein genormtes Standardverfahren in der Werkstoffprüfung dar. Bestimmt werden können damit die Zugfestigkeit, Bruchdehnung und Streckgrenze, sowie weitere Wertstoffkennwerte. Der Zugversuch zählt zu den zerstörenden, quasistatischen Prüfverfahren, da der Werkstoff über die Streckgrenze hinaus belastet wird.

Durchführung des Zugversuchs

Standardisierte Proben mit einer definierten Querschnittsfläche werden bei einem Zugversuch bis zum Bruch gedehnt, dabei werden die Dehnung und der Weg stoßfrei und mit einer geringen Geschwindigkeit gleichmäßig gesteigert. Im Verlauf des Zugversuches werden an der Probe die Kraft F sowie in der Messstrecke die Längenänderung ∆L kontinuierlich gemessen. Die Nennspannung σn ergibt sich dabei aus der Kraft und der Querschnittsfläche der nicht deformierten Probe S₀:

Die Totaldehnung εt wird aus der Längenänderung ∆L mit Bezug auf die Ursprungslänge der Messstrecke L0 bestimmt:

Die Messergebnisse aus dem Zugversuch werden im Nennspannungs/Totaldehnungs-Diagramm aufgeführt. Aus diesem lassen sich dann die technischen Wertstoffkennwerte ablesen.

Beispiel für eine Spannungs-Dehnungs-Diagramm (Werkstoff: Stahl)
 

Werkstoffkennwerte - Zugversuch

Folgende Werkstoffkennwerte werden im Zugversuch ermittelt:

• E: Elastizitätsmodul
• Elastizitätsgrenze
  • R_p: Dehngrenze
  • R_eL: Untere Streckgrenze
  • R_eH: Obere Streckgrenze
• R_m: Zugfestigkeit
• A_g: Gleichmaßdehnung
• A₅ bzw. A10: Bruchdehnung der Zugprobe (im Diagramm als A gekennzeichnet)
• A_L: Lüdersdehnung
• Z: Brucheinschnürung

Der Elastizitätsmodul

Viele Werkstoffe verhalten sich zu Beginn einer Krafteinwirkung linear-elastisch. Das bedeutet, dass die Verformung bei einer Entlastung vollständig reversibel ist, solange die Streckgrenze nicht erreicht wurde. Das linear-elastische Verformungsverhalten wird mit dem Wertstoffkennwert des Elastizitätsmoduls E beschrieben. Der Wertstoffkennwert entspricht in diesem Fall der Steigung der hookeschen Geraden.

Die Streckgrenze ReH

Sobald im Zugversuch die Streckgrenze R_eH erreicht wird, setzt eine irreversible plastische Deformation im Werkstoff ein, daher ist der weitere Verlauf sehr stark vom Werkstoff und seinen konkreten Materialeigenschaften abhängig. Oft lässt sich der Beginn der plastischen Deformation, also die Streckgrenze, nicht eindeutig identifizieren, da die Kurve nicht sichtbar abknickt. In der Praxis werden in einem solchen Fall alternativ die Dehngrenzen verwendet, ergänzt um plastischen Deformationen. Häufig anzutreffen ist dann die Angabe "R_p0,2", das bedeutet in Bezug auf die Dehngrenze eine plastische Deformation von 0,2 %.

Die Zugfestigkeit

Die Zugfestigkeit stellt einen der wichtigsten Wertstoffkennwerte und das Maximum der Zugverfestigungskurve dar. Der Dehnungskennwert der Zugfestigkeit ist die Gleichmaßdehnung: Bis zu diesem Punkt weisen die Proben im Zugversuch keine makroskopischen Einschnürungen auf. Der Querschnitt verjüngt sich nicht, im Gegensatz zu Werkstoffen, die nicht beim Erreichen der Zugfestigkeit versagen und in der Folge eine klar erkennbare Einschnürung aufweisen. Die Bruchdehnung lässt sich mit der bereits eingeführten Formel ermitteln.

Elastische und plastische Verformung und die hookesche Gerade

Für jeden Werkstoff gilt, dass eine plastische Verformung (ε_pl) auch bei Entlastung erhalten bleibt, da nur die elastische Verformung (ε_e) reversibel ist. Hierdurch lassen sich die Beträge der Bruch- und Gleichmaßdehnung bestimmen, indem von der Zugverfestigungskurve die Entlastung parallel zur hookeschen Geraden erfolgt und mit der Abszisse der Schnittpunkt abgelesen wird. Sämtliche Dehnungskennwerte sind daher plastische Dehnungsanteile, die wie folgt in die Berechnung der Gesamtdehnung eingehen:

ε_t : gesamte Dehnung / Verformung
ε_e : elastische Dehnung / Verformung
ε_pl : plastische Dehnung / Verformung

Normen - Zugversuch

Eine Auswahl aktueller Normen zum Zugversuch:

• Metalle: EN ISO 6892-1, ISO 6892, ASTM E 8, ASTM E 21, DIN 50154; DIN 50125
• Kunststoffe: ISO 527, ASTM D 638
• Faserverstärkte Verbundwerkstoffe: ISO 14129
• Weichelastische Schäume: ISO 1798, ASTM D 3574
• Hartschäume: ISO 1926, ASTM D 1623
• Gummi: ISO 37, ASTM D 412, DIN 53504
• Klebstoffe: ISO 6922
• Papier: ISO 3781, TAPPI T 456, ISO 1924, TAPPI T 494
• Fasern und Filamente: ISO 5079, ASTM D 3822
• Garne und Zwirne: ISO 2062, ASTM D 2256, ISO 6939
• Textile Flächengebilde: ISO 13934-1
• Vliesstoffe: ISO 9073-3

In der Regel wird ein Zugversuch entweder bei metallischen Werkstoffen oder bei Kunststoffen angewendet, je nach Werkstoff sind unterschiedliche Normvorgaben zu berücksichtigen.

Bei Werkstoffen aus (Industrie-)Keramik lässt sich oft nur eine minimale Dehnung beobachten, die zudem große Kräfte voraussetzt. Sie gelten als zugfest bis zum Bruch, daher muss ihre Zugfestigkeit in einem Berst- und nicht Zugversuch ermittelt werden.