Zugfestigkeit

Eine Einführung in das Verstehen und Messen der Zugfestigkeit

Die Zugfestigkeit ist eine wichtige Messung, mit der Forscher, Ingenieure und Qualitätskontrollabteilungen die mechanischen Eigenschaften von Materialien, Produkten oder Komponenten bewerten. Die Zugfestigkeit eines Materials wird als maximale mechanische Zugspannung definiert, der eine Probe standhalten kann, bevor sie versagt, obwohl die Definition eines Versagens je nach Art und Design des Materials variieren kann.

Wenn Materialien einer zunehmenden Zugspannung unterzogen werden, dehnen sich die Bindungen zwischen ihren Atomen aus, bis sie schließlich nach weiterer Belastung brechen. Wenn atomare Bindungen lediglich gedehnt werden, befindet sich das Material bekannterweise in seinem elastischen Bereich, in dem ein Entfall der angewendeten Kraft dazu führt, dass das Material wieder seine ursprüngliche Form annimmt. Sobald die atomaren Bindungen aufgebrochen sind, geht das Material in seinen plastischen Bereich über. Das bedeutet, dass sich das Material chemisch verändert hat und nach dem Entfall der angewendeten Kraft nicht mehr in seine ursprüngliche Form zurückkehrt. Während dieser Phase der Prüfung verändern sich Proben oft sichtbar, wobei sie in einem Verhalten, das als „Einschnürung“ bezeichnet wird, in der Mitte schmaler werden.

Je nach dem zu bewertenden Material kann die Zugfestigkeit entweder am Punkt des Eintritts in die Phase der plastischen Verformung – seinem Streckpunkt – bewertet werden oder an dem Punkt, wo das Material schließlich reißt. Die Bewertung der Zugfestigkeit am Punkt der plastischen Verformung wird als Streckgrenze bezeichnet. Die Bewertung der Zugfestigkeit am Punkt des Probenbruchs wird als äußerste Zugfestigkeit bezeichnet. 

Die Art des zu bewertenden Materials bestimmt, ob die Streckgrenze oder die äußerste Zugfestigkeit die nützlichsten Informationen bereitstellt. Zum Beispiel werden duktile Materialien wie Metalle üblicherweise am Streckpunkt bewertet, während spröde Materialien wie Verbundwerkstoffe am Bruchpunkt bewertet werden. Diese beiden Punkte sind zusammen mit dem Elastizitätsmodul wichtige Berechnungen, um die Festigkeit eines Materials zu charakterisieren.

Belastungs-Dehnungs-Diagramm duktiler Materialien

Einheiten zur Messung der Zugfestigkeit

Im internationalen System wird die Zugfestigkeit in Pascal oder Megapascal ausgedrückt, was Newton pro Quadratmeter (N/m²) entspricht. Im amerikanischen System wird sie in Pfund pro Quadratzoll (lbf/in² oder psi) ausgedrückt. 

Wie wird die Zugfestigkeit berechnet?

Die Zugfestigkeit wird berechnet, indem die Querschnittsfläche der Probe durch die maximal erreichte Zugkraft geteilt wird. Zugfestigkeit (σ) = maximale Zugkraft (F) / Querschnittsfläche der Probe (A):

σ=FA

Wie wird die Zugfestigkeit gemessen?

Die Zugfestigkeit wird gemessen, indem eine Zugprüfung auf einer Universal-Prüfmaschine durchgeführt wird. Hierbei muss darauf geachtet werden, dass die Ergebnisse genau und wiederholbar sind. Die Bewertung eines Materials durch seine Zugfestigkeit/Streckgrenze in Einheiten von Belastung (Pa oder psi) anstatt von Kraft (N oder lbf) hilft bei der Wiederholbarkeit von Ergebnissen. Der Grund hierfür ist, dass präparierte Materialien/Proben Dicke- und Breitetoleranzen aufweisen, die variieren können, und die Belastung ergibt die Dicke- und Breitemessungen der Zugfestigkeitsberechnung einer jeden Probe. Wenn ein Bediener beispielsweise fünf Proben derselben Charge geprüft hat und jede eine andere Dicke hatte, könnten sich ihre Maximalkraftwerte in einem breiteren Bereich befinden, während ihre Belastungswerte vergleichbar bleiben.

Darstellungen der Zugfestigkeit

Das folgende Diagramm zeigt Grenzen und Arten von Kurven aus einer Vielzahl verschiedenartiger Kunststoffproben:

  • Probe 1 ist ein Beispiel für eine spröde Probe, die bei geringer Dehnung im Streckfall bricht
  • Probe 2 ist ein Beispiel für ein Material mit einem Belastungstieg nach dem Strecken
  • Probe 3 zeigt ein Material ohne einen Belastungsanstieg nach dem Strecken
  • Probe 4 zeigt ein weiches Elastomermaterial, das bei höherer Belastung bricht 

Belastungs-Dehnungs-Diagramm

 

Dieses Diagramm zeigt Beispiele von oberen und unteren Streckgrenzen für verschiedene Arten von Kurven, wobei Reh  für die obere Streckgrenze, Rel für die untere Streckgrenze und a für den anfänglichen Übergangseffekt steht. Diese Kurven repräsentieren ein Verhalten, dass bei der Prüfung von Metallen oft festgestellt wird.

Streckgrenzenbeispiele

Zugfestigkeit gängiger Materialien
Material Streckgrenze (MPa) Äußerste Zugfestigkeit (MPa)
Nylon-6 45 45–90
Transparente gegossene Acrylplatte (PMMA) 72 87
Aluminium 95 110
Kupfer 70 220
Baustahl ASTM A36 250 400–550
Edelstahl AISI 302 — kaltgewalzt 502 860
Titanlegierung 730 900
Diamant 1600 2800
Aramid (Kevlar oder Twaron) 3620 3757
Kohlefaser (Toray T1100G) (die stärksten, von Menschen geschaffenen Fasern) - 7000 Faser allein

Quelle: https://www.engineeringtoolbox.com/young-modulus-d_417.html 

AUSRÜSTUNG ZUR MESSUNG DER ZUGFESTIGKEIT

Neben anderen Zugeigenschaften wird auch die Zugfestigkeit auf Universal-Prüfmaschinen gemessen. Diese Maschinen sind in einer Vielfalt verschiedener Kraftkapazitäten erhältlich, wobei die maximalen Kraftkapazitäten im Bereich zwischen 0,02 N und 2.000 kN liegen. Zusätzlich zu den Zugprüfungen können diese Maschinen auch Kompressions-, Biege-, Reiß-, Scher-, Reibungs-, Torsions-, Durchstich- und eine Vielzahl anderer Prüfungen durchführen, um die mechanischen Eigenschaften von Materialien, Komponenten und Fertigprodukten vollständig zu charakterisieren. Je nach den Durchsatzanforderungen Ihres Labors stehen auch mehrere Automationssysteme zur Verfügung.

Universal-Prüfsysteme der Serie 6800


Universal-Prüfsysteme mit bis zu 300 kN — Serie 6800

Die Serie 6800 wurde für außergewöhnliche Leistung entwickelt und bietet beispiellose Genauigkeit und Zuverlässigkeit, verbesserte Ergonomie und ein verbessertes Prüferlebnis für den modernen Bediener. Erhältlich mit einem Kraftkapazitätsbereich von 0,02 N (2 gf) bis 300 kN.

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Zugfestigkeitsprüfer von Instron


Universal-Prüfsysteme mit bis zu 300 kN — Serie 3400

Die Prüfsysteme der Serie 3400 bieten die Einfachheit und Leistung, die für routinemäßige, standardisierte QC-Prüfungen und allgemeine mechanische Prüfungen erforderlich sind. Erhältlich mit einem Kraftkapazitätsbereich von 0,02 N (2 gf) bis 300 kN.

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Universal-Prüfsysteme der industriellen Serie mit bis zu 2.000 kN


Industrielle Universal-Prüfsysteme mit bis zu 2.000 kN

Die industrielle Serie von Instron umfasst Rahmen mit ein oder zwei Prüffeldern. Diese bietet einen Kraftkapazitätsbereich von 300 kN bis 2.000 kN und wird zur Prüfung hochfester Metalle, Legierungen und Verbundwerkstoffe verwendet.

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automatisiertes Zugprüfsystem


Automatisierte Prüfsysteme

Mit den automatisierten Prüfsystemen von Instron können Labore den Durchsatz, die Wiederholbarkeit und die Sicherheit verbessern und gleichzeitig qualifizierte Mitarbeiter für andere wertvolle Aufgaben freistellen.

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