Zugfestigkeit

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Die Zugfestigkeit ist eine Werkstoffeigenschaft: die maximale mechanische Zugspannung, die der Werkstoff aushält, bevor er bricht/reißt. Sie wird im Zugversuch aus der maximal erreichten Zugkraft bezogen auf den ursprünglichen Querschnitt der (genormten) Probe errechnet.

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.

„Nominelle“ (rot) und „wahre“ (blau) Spannung im Spannungs-Dehnungs-Diagramm (Die Zugfestigkeit ist mit 1 markiert.)

Die aus dem Spannungs-Dehnungs-Diagramm abgelesenen Spannungswerte (Zugfestigkeit, Streckgrenze) entsprechen nicht der wahren Spannung im Material. 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.

Typische Zahlenwerte:

Werkstoff Zugfestigkeit in
N/mm2
Glas 7-70
Blei 10 bis 15[4]
Zinn 15[5]
Porzellan 45[6]
Polystyrol 45 bis 64[7]
reines Aluminium 45[8]
Aluminiumlegierungen meist 200 bis 450; selten bis 640[9]
Gusseisen mit Lamellengraphit 100 bis 350[10]
Magnesium 116[11]
Magnesiumlegierungen 140 bis 215[12]
reines Kupfer 200[13]
Kupferlegierungen 200 bis 360[14]
menschliches Haar 200
Titan 235[15]
Titanlegierungen 290 bis 740[16]
Nickel 370[13]
Nickellegierungen 370 bis 700[17]
Chrom 370[13]
Baustahl 310 bis 690[18]
Gusseisen mit Kugelgrafit 400 bis 900[19]
Polyvinylchlorid 500 bis 600[20]
Vergütungsstahl 500 bis 1250[21]
Legierter Stahl 1100 bis 1300[22]
Kohlenstoffnanoröhren bis 63.000[23][24]

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. Askeland: Materialwissenschaften: Grundlagen – Übungen – Lösungen. Spektrum Akademischer Verlag, 2010.
  9. Ostermann: Anwendungstechnologie Aluminium, 3. Auflage, S. 768.
  10. Haberhauer: Maschinenelelemente 17. Auflage, S: 627.
  11. C. Leyens: Skript Eisen- und Nichteisenmetalle. TU Dresden.
  12. Bargel: Werkstoffkunde, 11. Auflage, S. 341.
  13. a b c Freudenberger: Skript Nichteisenmetalle. TU Bergakademie Freiberg.
  14. Bargel: Werkstoffkunde, 11. Auflage, S. 313
  15. Leyens: Titan und Titanlegierungen.
  16. Bargel: Werkstoffkunde, 11. Auflage, S. 343.
  17. Bargel: Werkstoffkunde, 11. Auflage, S. 323.
  18. Haberhauer: Maschinenelelemente 17. Auflage, S: 625.
  19. Haberhauer: Maschinenelelemente 17. Auflage, S: 627.
  20. Bargel: Werkstoffkunde, 11. Auflage, S. 431.
  21. Haberhauer: Maschinenelelemente 17. Auflage, S: 626.
  22. Holzmann: Festigkeitslehre, 10. Auflage, S.69.
  23. Min-Feng Yu: Tensile Loading of Ropes of Single Wall Carbon Nanotubes and their Mechanical Properties. 2000.
  24. Min-Feng Yu: Strength and Breaking Mechanism of Multiwalled Carbon Nanotubes Under Tensile Load. 2000.

Siehe auch[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]