Zugversuch

Grundprinzip des Zugversuchs

Beim Zugversuch wird eine normierte Probe mit konstanter Prüfgeschwindigkeit bis zum Bruch gedehnt. Die dabei auftretende Kraft F wird über einen Kraftaufnehmer, die Verlängerung ΔL über ein Extensometer gemessen. Aus Kraft und Querschnitt ergibt sich die Spannung σ, aus Verlängerung und Ausgangsmesslänge die Dehnung ε.

Das Spannungs-Dehnungs-Diagramm

Das Herzstück des Zugversuchs ist das Spannungs-Dehnungs-Diagramm (σ-ε-Diagramm). Es zeigt den Verlauf der Spannung (in MPa oder N/mm²) über der Dehnung (in %) und charakterisiert das Werkstoffverhalten vollständig.

Bereiche des Diagramms (am Beispiel Baustahl)

Werkstoffkennwerte aus dem Zugversuch

Zugfestigkeit R_m

R_m (Tensile Strength) ist das Verhältnis der maximalen Prüfkraft F_max zum ursprünglichen Querschnitt S₀:

Rm = Fmax / S₀ [N/mm² = MPa]

Sie beschreibt die höchste Belastung, die ein Werkstoff aushält. Typische Werte:

• Baustahl S235: Rm ≥ 360 MPa
• Feinkornbaustahl S690: Rm = 770–940 MPa
• Aluminium EN-AW-6082: Rm ≥ 310 MPa
• Titanlegierung Ti-6Al-4V: Rm ≥ 895 MPa
• Hochfeste Schrauben 12.9: Rm ≥ 1.220 MPa

Streckgrenze R_p0,2 und R_eH / R_eL

Bei Werkstoffen mit ausgeprägter Streckgrenze (Baustahl) werden gemessen:

• R_eH: Obere Streckgrenze — erster Kraftabfall nach elastischem Anstieg
• R_eL: Untere Streckgrenze — niedrigster Wert im Fließplateau

Bei Werkstoffen ohne ausgeprägte Streckgrenze (Aluminium, austenitischer Stahl) wird die 0,2%-Dehngrenze R_p0,2 bestimmt: Die Spannung bei 0,2% bleibender Dehnung (Parallelverschiebung der Geraden im elastischen Bereich).

Bruchdehnung A (%)

A (Elongation at Break) beschreibt die plastische Verlängerung der Probe beim Bruch bezogen auf die Ausgangsmesslänge L₀:

A = (Lu - L₀) / L₀ × 100 [%]

A ist ein Maß für die Duktilität des Werkstoffs. Schreibweise: A₅ (L₀ = 5·d) oder A₈₀ (L₀ = 80 mm). Typische Werte: Stahl A ≥ 20–26%, Aluminium 8–12%, Gusseisen GJL 0,5–1%.

Brucheinschnürung Z (%)

Z (Reduction of Area) ist die Querschnittsabnahme an der Bruchstelle:

Z = (S₀ - Su) / S₀ × 100 [%]

Hohe Z-Werte (Z > 50%) zeigen duktiles Versagen. Spröde Werkstoffe haben Z ≈ 0%.

Elastizitätsmodul E

Aus der Steigung des linearen Bereichs ergibt sich der Elastizitätsmodul E (Young's Modulus): E = σ / ε. Konstant für jeden Werkstofftyp:

• Stahl: E ≈ 210.000 MPa (210 GPa)
• Aluminium: E ≈ 70.000 MPa (70 GPa)
• Titan: E ≈ 114.000 MPa (114 GPa)
• Kupfer: E ≈ 120.000 MPa (120 GPa)

Probenformen (DIN 50125)

Prüfgeschwindigkeit nach EN ISO 6892-1

EN ISO 6892-1 definiert zwei Methoden zur Geschwindigkeitsregelung:

• Methode A (dehnungsgeregelt): Dehngeschwindigkeit über Extensometer kontrolliert — genauere Streckgrenzenmessung
• Methode B (traversengeregelt): Prüfmaschinen-Traversengeschwindigkeit konstant — einfacher, aber ungenauer

Interpretation und Fehlerbilder

• Duktiler Bruch: Kelch-Kegel-Bruch, ausgeprägte Einschnürung, hohe A und Z-Werte
• Spröder Bruch: Glatte, kristalline Bruchfläche, kaum Einschnürung, geringe A
• Mischbruch: Teils duktil, teils spröd — z.B. bei Kerbwirkung oder tiefen Temperaturen
• Schräger Bruch (Schubbruch): 45°-Bruch — typisch für sehr duktile Werkstoffe (Cu, Al)

Berufskontext: Zugversuch im Laboralltag

• Probengeometrie und Entnahmerichtung müssen zur Norm und zum Bauteil passen
• Extensometer und Maschine werden regelmäßig verifiziert, sonst sind Grenzwerte nicht belastbar
• Prüfgeschwindigkeit beeinflusst R_p0,2 und R_e deutlich und muss dokumentiert sein
• Abweichungen werden zusammen mit Fertigung und Wärmebehandlung bewertet (Ursachenanalyse)

Typische Fehler bei Auswertung und Bericht

• verwechselte Messlänge (A₅, A₈₀) und dadurch falsche Vergleichbarkeit
• fehlende Angabe von Methode A/B nach EN ISO 6892-1
• Bruch außerhalb der Messlänge ohne normgerechte Behandlung
• nur Einzelwertbericht ohne Streuungsbetrachtung bei Serienfreigaben