Streckgrenze

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Die Streckgrenze R_{e} (englisch yield strength, \sigma_y) ist ein Werkstoffkennwert und bezeichnet diejenige Spannung, bis zu der ein Werkstoff bei einachsiger und momentenfreier Zugbeanspruchung keine dauerhafte plastische Verformung zeigt. Es handelt sich dabei um eine Fließgrenze.

Bei Unterschreiten des Wertes kehrt das Material nach Entlastung elastisch in seine ursprüngliche Form zurück, bei Überschreiten verbleibt dagegen eine Formveränderung, bei einer Probe also eine Verlängerung.

Messung[Bearbeiten]

Die Streckgrenze wird gewöhnlich im Zugversuch ermittelt. Aus der Streckgrenze und der dort ebenfalls ermittelten Zugfestigkeit R_m lässt sich das Streckgrenzenverhältnis errechnen:

R_e/R_m

Dieses gibt dem Konstrukteur Auskunft über den Abstand zwischen einsetzender plastischer Deformation und Versagen des Werkstoffes bei quasistatischer Beanspruchung. Der Wert spielt etwa bei Schraubverbindungen eine wichtige Rolle, wo i.a. ein höherer Wert erwünscht ist, da eine bleibende Dehnung nach einer Belastung ein Lösen der Schraube bedeuten würde.

Bei vielen Werkstoffen treten außerdem Streckgrenzeffekte auf.

Häufig ist die Streckgrenze nicht eindeutig aus dem Zugversuch identifizierbar. Dann werden stattdessen Dehngrenzen (häufig: 0,2 %-Dehngrenze) verwendet.

Dehngrenze (= Ersatzstreckgrenze)[Bearbeiten]

Bei technischen Werkstoffen wird statt der Streckgrenze in der Regel die 0,2-%-Dehngrenze oder Elastizitätsgrenze R_{p,0,2} angegeben, da sie (im Gegensatz zur Streckgrenze) immer eindeutig aus dem Nennspannungs-Totaldehnungs-Diagramm ermittelt werden kann (oft ist eigentlich die Dehngrenze gemeint, wenn die Streckgrenze angegeben wird). Die 0,2-%-Dehngrenze ist diejenige (einachsige) mechanische Spannung, bei der die auf die Anfangslänge der Probe bezogene bleibende Dehnung nach Entlastung genau 0,2 % beträgt.

Bei noch höherer Last kommt es entweder zu ausgeprägten plastischen Verformungen oder die Zugfestigkeit wird überschritten und der Werkstoff versagt durch Bruch.

0,2-%-Dehngrenzen ausgewählter Werkstoffe
Werkstoffgruppe Legierung Streckgrenze in N/mm²
Kupfer-Legierungen (ungefähre Werte) E-Cu57 160
CuZn37 250…340
CuZn39Pb3 250…340
CuNi1, 5Si 540
Magnesium-Legierungen (ungefähre Werte) CP Mg 40
AZ91 110
AM60 130
WE54 200
MgZn6Zr[1] 250
Aluminium-Legierungen (ungefähre Werte) Al99.5 40
AlMg1 100
AlMg3 120
AlMg4.5Mn 150
AlMgSi0.5 190
AlCu4PbMgMn 220…250
AlZnMgCu1.5 450
AA 7175[2] 525
Titan-Legierungen (ungefähre Werte) CP Ti 220
Ti-6Al-4V 924
Ti-6Al-2Fe-0.1Si 960
Ti-15Mo-3Nb-3Al-.2Si 1400
Baustähle S235JR 235
S275 275
S355 355
E360 360
Nichtrostende Stähle (typische Werte) WNr. 1.4301 360 [3]
WNr. 1.4307 340 [4]
Betonstähle BSt 420 420
BSt 500 500
Spannstähle St 1370/1570 1370
St 1570/1770 1570
Vergütungsstähle C22 340
C45 490
C60 580
42CrMo4 900
34CrNiMo6 1000
Einsatzstähle C10E 430
16MnCr5 630
18CrNiMo7-6 685

Beispiel „Bergseil“[Bearbeiten]

Wird beispielsweise ein Kletterseil aus Polyamid („Nylon“) auf Zug belastet, so dehnt es sich zuerst um etwa 10 %. Wird das Seil wieder entlastet, verkürzt sich das Seil wieder bis auf seine ursprüngliche Länge (elastische Dehnung unterhalb der Streckgrenze). Wird es stärker belastet und dehnt es sich über die Streckgrenze hinaus, dann verkürzt es sich auch nach Entlastung nicht mehr ganz. Wird es noch stärker belastet, wird irgendwann die Fließgrenze erreicht. Wird diese überschritten, beginnt das Material trotz gleichbleibender Krafteinwirkung sich zu verändern, es fließt (= Umlagerung der Molekülketten).

Siehe auch: Spannungs-Dehnungs-Diagramm

Ausgeprägte Streckgrenze[Bearbeiten]

Durch Fremdatomwolken, auch Cottrellwolken, die sich bevorzugt in energetisch günstigen Verzerrungsfeldern um Versetzungen aufhalten, kann es zur Ausbildung einer ausgeprägten Streckgrenze kommen. Hier treten vor allem Lüdersdehnung sowie obere und untere Streckgrenzen (R_{eH} und R_{eL}) auf. Streckgrenzeneffekte treten bei vielen Werkstoffen auf, insbesondere bei Kupfer- und Aluminiumlegierungen sowie unlegierten und niedriglegierten unter-eutektoiden Stählen.

Obere Streckgrenze[Bearbeiten]

Die obere Streckgrenze R_{eH} wird durch Losreißprozesse von Versetzungen verursacht, die die interstitiellen Fremdatomwolken verlassen. Im Anschluss daran fällt die Spannung im Werkstoff auf die untere Streckgrenze R_{eL} und die Verformung wird mit der Lüdersdehnung fortgesetzt. Dieser Effekt tritt ausschließlich bei unlegierten Stählen mit niedrigem Kohlenstoffgehalt auf.

Untere Streckgrenze[Bearbeiten]

Die untere Streckgrenze R_{eL} ist die Folge des Losreißens von Versetzungen bei R_{eH} von Cottrellwolken. Diese Versetzungen können nun mit deutlich geringerer Energie bewegt werden, da sich die Fremdatomwolken nicht mehr im Verzerrungsbereich der Versetzungen befinden. Dieser Effekt ist eine Folge des Auftretens einer oberen Streckgrenze und ist gleichzeitig die Nennspannung bei der die Lüdersdehnung stattfindet.

Lüdersdehnung[Bearbeiten]

Als Lüdersdehnung εL wird ein plastischer Dehnungsanteil bezeichnet, der durch die Bewegung einer Versetzungsfront durch ein Bauteil oder eine Probe bei konstanter Beanspruchung gekennzeichnet ist. Während der Lüdersverformung bleibt dabei die Nennspannung (und damit die anliegende Kraft) nahezu konstant bei der unteren Streckgrenze R_{eL}. Die Lüdersfront wird in der Regel an einer lokalen Spannungsüberhöhung (Kerbe, Oberflächenrauhigkeit, Querschnittsübergang) ausgelöst und bewegt sich dann durch die gesamte Probenmessstrecke bzw. bis zu einer deutlichen Querschnittsvergrößerung. Dieser Effekt tritt bei unlegierten und niedriglegierten, untereutektoiden Stählen, aber auch in Kupfer- und Aluminiumlegierungen auf und ist unabhängig vom Auftreten einer oberen Streckgrenze.

Siehe auch[Bearbeiten]

Quellen[Bearbeiten]

  1. otto-fuchs.com: Magnesiumlegierungen - Strangpressprodukte und Schmiedestücke (PDF; 446 kB)
  2. efunda.com: Properties of Aluminum Alloy AA 7175
  3. dew-stahl.com: Werkstoffdatenblätter Nichtrostender austenitischer Chrom-Nickel-Stahl X5CrNI18-10
  4. dew-stahl.com: Werkstoffdatenblätter Nichtrostender austenitischer Chrom-Nickel-Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt X2CrNi18-9