Zugversuch
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Inhaltsverzeichnis
Einleitung
Der Zugversuch ist eines der wichtigsten mechanischen Prüfverfahren. Aus dem Zugversuch werden Kennwerte unter einachsiger Belastung bei konstanter Temperatur (meist Raumtemperatur) bestimmt. Dazu wird ein glatter, d.h. ungekerbter Prüfstab in eine Zugprüfmaschine eingespannt und in Richtung der Stabachse mit konstanter Verformungsgeschwindigkeit bis zum Zerreißen gedehnt. Die Zugprüfmaschine erfasst den Zusammenhang zwischen Zugkraft F und Verlängerung ΔL der Probe als Kraft‐Verlängerungs‐Diagramm, mit unter auch als Maschinendiagramm bezeichnet. Kraft und Verlängerung sind aber nicht werkstoffspezifisch, sondern werden von der Probengeometrie (Anfangsmesslänge, Anfangsquerschnitt) bestimmt. Indem die Zugkraft auf den Probenquerschnitt und die Verlängerung auf die Probenlänge bezogen werden, erhält man das Spannungs‐Dehnungs-Diagramm für den entsprechenden Werkstoff. Bei diesen Diagrammen unterscheidet man das technische Spannungs‐Dehnungs‐Diagramm, das wahre Spannungs‐Dehnungs‐Diagramm und die Fließkurve[1].
Durchführung des Zugversuches
Die Probe wird mit einer Normalspannung (senkrecht zur Querschnittfläche wirkenden Kraft) belastet. Das Prüfprinzip ist relativ simpel, die Probe wird-
- angefertigt
- vermessen
- eingespannt
- gezogen
Der Zugversuch wird in der Regel an einer genormten Probe des zu prüfenden Werkstoffes durchgeführt. Hierzu wird die Probe in eine hydraulische oder mechanisch arbeitende Zugprüfmaschine eingespannt und mit zunehmender Zugkraft so lange verformt, bis der Bruch der Probe eintritt. Die erforderliche Zugkraft F wird in abhängigkeit der Probenverlängerung ΔL kontinuierlich registriert und mann erhält das Kraft-Verlängerungs-Diagramm[2].
Sowohl die Zugkraft als auch die Probenverlängerung ist von der Probenabmessung abhängig. Das Kraft-Verlängerungs-Diagramm liefert daher keine Werkstoffkennwerte mit dessen Hilfe ein quantitativer Werkstoffvergleich möglich wäre. Um von der Probengeometrie unabhängige Kenngrößen zu ermitteln, bezieht man die Zugkraft F daher auf die Probenquerschnittsfläche So der Probe vor der Prüfung und spricht von der (mechanischen) Spannung σ und man erhält das Spannungs-Dehnungs-Diagramm[2]-
Aus dem Spannungs-Dehnungs-Diagramm können jetzt die entsprechenden Werkstoffkennwerte vergleichbar abgelesen werden.
In analoger Weise geht man von der Probenverlängerung ΔL auf die Probengröße (Messlänge) ebenfalls unabhängige Dehnung ε über-
Kurzzeichen für den Zugversuch
| Was | Kurzzeichen |
| Probendurchmesser | do |
| Durchmesser nach Bruch | du |
| Anfangsquerschnitt | So |
| Querschnitt nach Bruch | Su |
| Anfangsmesslänge | Lo |
| Messlänge nach Bruch | Lu |
| Maximalkraft nach Bruch | Fm |
| Versuchslänge | Lc |
Ermittelte Parameter
Folgende Kennwerte können im Zugversuch ermittelt werden-
| Was | Kurzzeichen | Dimension | Beschreibung |
|---|---|---|---|
| Zugfestigkeit | Rm | MPa | Als Zugfestigkeit Rm bezeichnet man das Spannungsmaximum im Spannungs-Dehnungs-Diagramm, d.h. die Höchszugkraft bezogen auf den Anfangsquerschnitt So. Nach überschreiten der Zugfestigkeit erfolgt der Bruch der Probe. Abhängig von der Werkstoffart oder Werkstoffzustand unterscheided man verschiedene Bruchformen. |
| Streckgrenze | Re | MPa | meist ReH , bei Werkstoffen mit ausgeprägter oberer Streckgrenze
- ReH obere Streckgrenze - ReL untere Streckgrenze |
| Dehngrenzen | Rp | Mpa | Rp0,2 bei Werkstoffen ohne ausgeprägte Streckgrenze wird die Rp0,2 ermittelt, sie wird auch als technische Streckgrenze bezeichnet.
Rp0,01 technische Elastizitätsgrenze oder 0,01 Dehngrenze, gerade eben ermittelbare plastische Verformung, kennzeichnet den Übergang von der Mikroplastizität zum makroskopischen Fließen des Werkstoffes. |
| Dehnung | A | % | Unter der Bruchdehnung A versteht man die bleibende Dehnung der Zugprobe nach dem Bruch. |
| Einschnürung | Z | % | Die Brucheinschnürung (Verformungszähigkeit) Z ist die größte bleibende Querschnittsänderung nach dem Bruch der Zugprobe. |
| Elastizitätzmodul | E | Mpa | Proportionalitätsfaktor E, er ist ein Maß für den Widerstand, den ein Werkstoff seiner elastischen Verformung entgegensetzt. |
| Querkontraktionszahl | μ | Die Poissonzahl ν (auch Querkontraktionszahl, Querdehnungszahl oder Querdehnzahl genannt; auch mit μ bezeichnet) ist eine Größe in der Mechanik bzw. Festigkeitslehre. Sie dient der Berechnung der Querkontraktion und ist nach Siméon Denis Poisson benannt. Sie gehört zu den elastischen Konstanten eines Materials. | |
| Proportionalitätsgrenze | σP | Punkt im Spannungs-Dehnungs-Diagramm, der das Ende der Hoock'schen Geraden definiert. Ab hier sind Kraft und Weg nicht mehr proportional es findet eine bleibende Verformung statt. | |
| Elastizitätsgrenze | σE | Als Elastizitätsgrenze eines Werkstoffes bezeichnet man die Größe der mechanischen Spannung, unterhalb der das Material elastisch ist, d. h., es nimmt wieder die ursprüngliche Form ein, wenn die Belastung entfernt wird (nicht-bleibende/reversible Verformung). Beim Überschreiten der Elastizitätsgrenze tritt eine irreversible Dehnung oder Stauchung bzw. eine plastische Verformung auf. Die Elastizitätsgrenzwerte werden neben anderen Materialkennwerten für die Berechnung und Bestimmung der Festigkeit und Stabilität mechanischer Konstruktionen verwendet. Im Spannungs-Dehnungs-Diagramm ist die Elastizitätsgrenze der Punkt, in dem die Spannungskurve vom linearen Verlauf abweicht. Dieser Punkt ist nicht eindeutig definiert, sondern von der Messmethode abhängig. |
Normung des Zugversuches
Folgende Normen regeln den Zugversuch an metallischen Werkstoffen
| Norm | Bezeichnung | Teile |
|---|---|---|
| DIN 50125 | Prüfung metallischer Werkstoffe – Zugproben | |
| DIN EN ISO 6892 | Metallische Werkstoffe – Zugversuch | Teil 1 - Prüfverfahren bei Raumtemperatur
Teil 2 - Prüfverfahren bei erhöhter Temperatur Teil 3 - Prüfverfahren bei tiefen Temperaturen Teil 4: Prüfverfahren in flüssigem Helium (nur ISO Norm) |
Probenformen
Grundsätzlich sind die Probenformen in der Internationalen Norm ISO 6592 nicht genormt. In Deutschland existiert jedoch die DIN 50125 Prüfung metallischer Werkstoffe – Zugproben, es wird empfohlen sich an die in dieser Norm angegebenen Probenformen soweit als möglich zu halten. Außerhalb der in der DIN 50125 vorgegebenen Peobenformen, existieren noch eine Vielzahl von Produktnormen in denen spezielle Probenformen vorgegeben werden.
