Zugfestigkeit

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„Nominelle“ (rot) und „wahre“ (blau) Spannung von Stahl im Spannungs-Dehnungs-Diagramm (Die Zugfestigkeit ist das Maximum der nominellen Spannung die mit "1" markiert ist.)

Die Zugfestigkeit ist eine Werkstoffeigenschaft: die maximale mechanische Zugspannung, die im Werkstoff auftreten kann. Sie wird zumeist aus den Ergebnissen des Zugversuchs errechnet, aus der maximal erreichten Zugkraft bezogen auf den ursprünglichen Querschnitt der genormten Zugprobe. Duktile Werkstoffe wie Stahl dehnen sich nach überschreiten der Zugfestigkeit noch weiter, ihr Querschnitt verringert sich dabei. Spröde Werkstoffe wie Gusseisen brechen beim Überschreiten der Zugfestigkeit.

Als Formelzeichen der Zugfestigkeit wird , [1] , [2] , , oder [3] verwendet.

Die Dimension der Zugfestigkeit ist Kraft pro Fläche. Häufig verwendete Maßeinheiten sind N/mm² oder MPa (Megapascal). Im Spannungs-Dehnungs-Diagramm kann die Zugfestigkeit (Y-Achsen-Wert am höchsten Punkt) direkt abgelesen werden.

Die aus dem Spannungs-Dehnungs-Diagramm abgelesenen Spannungswerte (Zugfestigkeit, Streckgrenze) entsprechen nicht der wahren Spannung im Werkstoff. Dies liegt daran, dass bei der Berechnung der Spannung die Zugkraft auf den Ausgangsquerschnitt bezogen wird. Der wirkliche Querschnitt ist aber bei der Zugprobe geringer als der Ausgangsquerschnitt (Querkontraktion, Einschnürung). Bei einer elastisch-plastischen Verformung (bei Proben aus duktilen Werkstoffen) ist diese Verformung (Verlängerung und Einschnürung) nach dem Test sicht- und messbar. Oft wird unterschieden zwischen der „wahren“ Spannung und der „nominellen“ Spannung („Ingenieur-Spannung“).

Die nominelle Zugfestigkeit entspricht also nicht der wahren Spannung in der Probe im Augenblick des Bruchs, sondern ist geringer.

Das wahre Spannungsmaximum entsteht im Einschnürbereich der Probe. In diesem Bereich erhöht sich die Verformung und allenfalls die Verfestigung bis zum Bruch. Im sogenannten instrumentierten Zugversuch wird der Probenquerschnitt kontinuierlich gemessen und die Kraft auf den wahren Querschnitt bezogen. So untersuchte Proben zeigen einen kontinuierlichen Anstieg der wahren Spannung bis zum Bruch. Der auf diese Weise ermittelte Wert ist jedoch nur von theoretischer Bedeutung.

Die Zugfestigkeit wurde in der Vergangenheit häufig für die Charakterisierung von Werkstoffen verwendet. Ein Beispiel hierfür ist die Bezeichnung von Baustählen. So wurde der Stahl 52 (St52, heute S355) nach seiner Zugfestigkeit von 52 kp/mm² (510 N/mm²) bezeichnet. Aufgrund der Harmonisierung der europäischen und internationalen Normen werden heute viele Stähle nach der Streckgrenze bezeichnet, die aus konstruktiver Sicht ein besserer Kennwert für die Belastbarkeit eines Werkstoffs ist.

Beispielwerte:

Werkstoff Zugfestigkeit in
N/mm2 bzw. MPa
Glas 7-70
Blei 10 bis 15[4]
Zinn 15[5]
Porzellan 45[6]
Polystyrol 45 bis 64[7]
Aluminiumlegierungen meist 200 bis 450; selten bis 640[8]
Gusseisen mit Lamellengraphit 100 bis 350[9]
menschliches Haar 200
Titanlegierungen 290 bis 740[10]
Baustahl 310 bis 690[11]
Legierter Stahl 1100 bis 1300[12]
Kohlenstoffnanoröhren bis 63.000[13][14]

Siehe auch[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Einzelnachweise[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  1. Wolfgang Seidel: Werkstofftechnik. Werkstoffe – Eigenschaften - Prüfung - Anwendung. Carl Hanser Verlag, München 2008, ISBN 978-3-446-40789-3, S. 16.
  2. Siegfried Röbert (Hrsg.): Systematische Baustofflehre. Band 1, VEB Verlag für Bauwesen, Berlin 1972, S. 39.
  3. Normenausschuss im Bauwesen im DIN: DIN 1045-1. Tragwerke aus Beton, Stahlbeton und Spannbeton – Teil 1: Bemessung und Konstruktion. Beuth Verlag, 2008, S. 18.
  4. Bargel: Werkstoffkunde, 11. Auflage, S. 352.
  5. Bargel: Werkstoffkunde, 11. Auflage, S. 348.
  6. Bargel: Werkstoffkunde, 11. Auflage, S. 364
  7. Bargel: Werkstoffkunde, 11. Auflage, S. 430
  8. Ostermann: Anwendungstechnologie Aluminium, 3. Auflage, S. 768.
  9. Haberhauer: Maschinenelelemente 17. Auflage, S: 627.
  10. Bargel: Werkstoffkunde, 11. Auflage, S. 343.
  11. Haberhauer: Maschinenelelemente 17. Auflage, S: 625.
  12. Holzmann: Festigkeitslehre, 10. Auflage, S.69.
  13. Min-Feng Yu: Tensile Loading of Ropes of Single Wall Carbon Nanotubes and their Mechanical Properties. 2000.
  14. Min-Feng Yu: Strength and Breaking Mechanism of Multiwalled Carbon Nanotubes Under Tensile Load. 2000.