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Zugversuch

Der Zugversuch ist ein genormtes Standardverfahren der Werkstoffprüfung zum Messen der Zugfestigkeit und weiterer Werkstoffkennwerte. Er zählt zu den quasistatischen, zerstörenden Prüfverfahren.

Im Zugversuch werden Proben mit kleiner Querschnittsfläche bis zum Bruch gedehnt, wobei die Dehnung gleichmäßig, stoßfrei und mit einer geringen Geschwindigkeit aufgebracht wird. Während des Versuchs werden die Kraft $F$ an der Probe und die Längenänderung $\Delta L$ in der Messstrecke der Probe kontinuierlich gemessen. Aus der Kraft wird mit der Querschnittsfläche der undeformierten Probe $S_{0}$ die Nennspannung $\sigma _{n}$:

$\sigma _{n}={\frac {F}{S_{0}}}$

• • • Da sich die Nennspannung auf den Ausgangsquerschnitt $S_{0}$ bezieht, erhält man nicht die wahre Spannung.

berechnet, aus der Längenänderung $\Delta L$ bestimmt man die Dehnung $\varepsilon$ mit Bezug auf die Ausgangslänge der Messstrecke $L_{0}$:

$\varepsilon ={\frac {\Delta L}{L_{0}}}$

Das Ergebnis des Zugversuchs ist das Nennspannungs/Totaldehnungs-Diagramm. Daraus können die technischen Werkstoffkenngrößen abgelesen werden.

Werkstoffkennwerte

• $E$: Elastizitätsmodul
• Elastizitätsgrenze
  • $R_{p}$: Dehngrenze
  • $R_{eL}$: Untere Streckgrenze
  • $R_{eH}$: Obere Streckgrenze
• $R_{m}$: Zugfestigkeit
• $A_{g}$: Gleichmaßdehnung
• $A_{5}$ bzw. $A_{10}$: Bruchdehnung des Proportionalstabs (im Diagramm als $A$ gekennzeichnet)
• $A_{L}$ Lüdersdehnung
• $Z$: Brucheinschnürung

Beschreibung einer Spannungs-Dehnungs-Kurve

Abb.1 schematisches Spannungs-Dehnungs-Diagramm mit ausgeprägter Streckgrenze $R_{eH}$

Abb.2 schematisches Spannungs-Dehnungs-Diagramm mit kontinuierlichem Fließbeginn

Im ersten Bereich des Diagramms verhaltet sich der Werkstoffe linear-elastisch, d.h. die Verformung gegenüber der Ausgangslänge verschwindet bei Entlastung wieder vollständig. Der zugehörige Werkstoffkennwert, der das linear-elastische Verformungsverhalten beschreibt ist der Elastizitätsmodul $E$ und entspricht der Steigung der sogenannten Hooke'schen Geraden.

$E={\frac {\Delta \sigma }{\Delta \varepsilon }}$

Allerdings verhalten sich nicht alle Werkstoffe im elastischen Bereich linear. So zeigt bei einer Zugbeanspruchung der Grauguss eine deutliche Spannungsabhängigkeit des E-Moduls.

Belastet man den Werkstoff über den linear-elastischen Bereich hinaus, so tritt plastische Verformung auf. Nach vollständiger Entlastung tritt eine bleibende Dehnung $\varepsilon _{b}$ auf. Der plastische Bereich ist nicht mehr linear. Die Grenze zwischen elastischem Bereich und plastischem Berreich wird bei kontinuierlichem Fließbeginn (Abb.2) als Dehngrenze $R_{p}$ bezeichnet. Üblich sind Angaben $R_{p0,1}$ mit 0,1% plastischer Verformung oder $R_{p0,2}$ mit 0,2% plastischer Verformung, da die exakte Dehngrenze nicht ermittelt werden kann. Bei einem nicht-kontinuierlichem Spannungs-Dehnungsverlauf (Abb. 1) ist der Übergang vom linear-elastischen zum plastischen Bereich ausgeprägt und kann gut ermittelt werden. Die Spannung bei der sich der Werkstoff abrupt plastisch verformt wird als Streckgrenze $R_{eH}$ bezeichnet.

Die dargestellte Zugverfestigungskurve beschreibt den schematischen Verlauf eines ferritisch-perlitischen Stahles mit ausgeprägten Streckgrenzeneffekten. Austenitische Stähle, Vergütungsstähle oder duktile Nichteisenmetalle zeigen abweichende Kurvenverläufe. Bei nichtmetallischen Werkstoffen wie Kunststoffen, Keramiken oder Verbundwerkstoffen treten in der Regel deutliche andere Kurvenverläufe auf, da die mikrostrukturellen Prozesse der plastischen Deformation fast ausschließlich in metallischen Werkstoffen auftreten (Versetzungsbewegung). Im Vergleich dazu handelt es sich z. B. bei der bleibenden Verformung von Kunststoffen um die Auflösung und Neubildung sekundärer Bindungen (Wasserstoffbrückenbindungen, Dipol-Dipol- und Van-der-Waals-Kräfte).

Gemeinsam ist allen Werkstoffen, dass plastische Verformungen bei Entlastung bestehen bleiben. Nur der elastische Anteil ε_e an der Gesamtverformung ε_t verschwindet wieder. Vor diesem Hintergrund können die Beträge der Gleichmaßdehnung und der Bruchdehnung bestimmt werden, indem von der Zugverfestigungskurve parallel zur Hook'schen Geraden entlastet wird und der Schnittpunkt mit der Abszisse abgelesen wird. Bei allen Dehnungskennwerten handelt es sich demnach um plastische Dehnungsanteile und es gilt für die Gesamtdehnung stets:

$\varepsilon _{\mathrm {t} }=\varepsilon _{\mathrm {e} }+\varepsilon _{\mathrm {pl} }$

Das Maximum der Zugverfestigungskurve bezeichnet einen der wichtigsten Werkstoffkennwerte: die Zugfestigkeit R_m. Der zugehörige Dehnungskennwert ist die Gleichmaßdehnung, da bis hierher die Proben keine makroskopische Einschnürung (Querschnittsverjüngung) zeigen. Werkstoffe die nicht bei Erreichen der Zugfestigkeit versagen, zeigen eine deutliche Einschnürung. Beim Probenbruch kann dann die Bruchdehnung (A₅ bzw. A₁₀) wie im vorherigen Absatz beschrieben, ermittelt werden.

Probengeometrien

Die Proben sind für verschiedene Werkstoffe und Materialien in der DIN 50 125 definiert. Für die Bruchdehnung werden nach Norm sog. Proportionalstäbe (festes Vielfaches von Probenmesslänge L₀ zu -durchmesser d) verwendet und der Proportionalitätsfaktor im Index (A₅ bzw. A₁₀) angegeben. Weichen die Proben von den Normproben ab, wird die Messlänge indiziert.

Technische und physikalische Versuchsführung

Im physikalischen Zugversuch werden kontinuierlich der wahre Querschnitt und die wahre Länge der Probe gemessen und daraus die wahre Spannung und die wahre Dehnung berechnet. Für technische Anwendungen wird die technische Versuchsführung (Bezug auf Ausgangsquerschnitt S₀ und -messlänge L₀) aus Gründen der Einfachheit und besseren Erfassung der Dehnungskennwerte bevorzugt. Außerdem entspricht die Zugfestigkeit auch der maximal ertragbaren Kraft in Abhängigkeit der Querschnittsfläche. Ab Erreichen der Zugfestigkeit spricht man auch von einsetzenden Werkstoffversagen, da der Bruch eines Bauteils in einer technischen Anwendung ab hier nicht mehr aufzuhalten ist.

Normen

Der Zugversuch wird vornehmlich bei metallischen und synthetischen (Kunststoffe) Werkstoffen verwendet und ist unterschiedlich genormt.

Eine Auswahl aktueller Normen zum Zugversuch:

• Metalle: EN 10002-1 und -5, ISO 6892, ASTM E 8, ASTM E 21, DIN 488, DIN 50154;
• 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.

Bei technisch relevanten keramischen Werkstoffen ist häufig nur eine minimale Dehnung bei sehr großen Kräften zu beobachten, weshalb sie als zugfest bis zum Bruch gelten. Zum Testen der Zugfestigkeit keramischen Werkstoffen wird daher der Berstversuch verwendet.

Einzelnachweise

• Hans Jürgen Bargel, Günter Schulze:Werkstoffkunde.

Weblinks

• Zugversuch
• Zusammenfassung zu Zugversuch

Kategorie:Werkstoffprüfung

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• $A_{L}$ = Lüdersdehnung