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.
- EN ISO 6892-1: Zugversuch bei Raumtemperatur (Metalle)
- EN ISO 6892-2: Zugversuch bei erhöhter Temperatur
- DIN 50125: Probenkörper für Zugversuche
- EN ISO 377: Probenentnahme aus Halbzeugen
- ASTM E8: US-amerikanische Norm für Zugversuche
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)
Linearer Anstieg: σ = E · ε (Hookesches Gesetz). Das Hooksche Gesetz gilt bis zur Proportionalitätsgrenze σP. Keine bleibende Verformung.
Bei Stahl: obere Streckgrenze ReH und untere Streckgrenze ReL erkennbar. Plastische Verformung beginnt — Probe verlängert sich ohne Kraftanstieg (Lüderssche Bänder).
Kraft und Spannung steigen wieder an (Kaltverfestigung). Dehnung gleichmäßig verteilt über Messlänge. Endet an Zugfestigkeit Rm (Maximum der Kraft).
Nach Erreichen von Rm schnürt die Probe ein. Lokale Dehnung an Einschnürung. Kraft fällt bis zum Bruch. Bruchdehnung A und Einschnürung Z werden gemessen.
Werkstoffkennwerte aus dem Zugversuch
Zugfestigkeit Rm
Rm (Tensile Strength) ist das Verhältnis der maximalen Prüfkraft Fmax 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 Rp0,2 und ReH / ReL
Bei Werkstoffen mit ausgeprägter Streckgrenze (Baustahl) werden gemessen:
- ReH: Obere Streckgrenze — erster Kraftabfall nach elastischem Anstieg
- ReL: Untere Streckgrenze — niedrigster Wert im Fließplateau
Bei Werkstoffen ohne ausgeprägte Streckgrenze (Aluminium, austenitischer Stahl) wird die 0,2%-Dehngrenze Rp0,2 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)
| Form | Typ | Anwendung |
|---|---|---|
| A | Rundprobe, proportional (L₀ = 5d) | Stäbe, Drähte, Stangen |
| B | Flachprobe, proportional | Bleche t ≥ 3 mm |
| C | Flachprobe, kurz (L₀ = 50 mm) | Bleche, breite Proben |
| E | Flachprobe aus Rohren | Rohrlängsproben |
| H | Gewindeköpfe | Schrauben, Befestiger |
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)