Zugversuch

Werkstoff- und Gussteilprüfung

Bestimmung der Werkstoffeigenschaften bei Raumtemperatur nach DIN EN ISO 6892–1 durch eine einachsige, gleichmäßig über den ganzen Querschnitt der Probe verteilte Zugbeanspruchung.

Der Versuch wird an Zugproben vorgenommen, die in einer Werkstoffprüfmaschine (Zug-Druckprüfmaschinen nach DIN EN ISO 7500–1), kalibriert, eingespannt und mit bestimmter Dehngeschwindigkeit auf Zug beansprucht werden, bis der Bruch eintritt. Mithilfe einer Kraftanzeige mit digitaler Messwertverarbeitung werden die aufgebrachten Zugkräfte erfasst, desgleichen werden durch Dehnungsfeinmessgeräte die Längenänderungen der Zugprobe bestimmt. Die gemessenen und aufgezeichneten Zugkräfte werden auf den Ausgangsquerschnitt So der Zugprobe bezogen und ergeben damit Nennspannungen, die graphisch in ein Spannungs-Dehnungsdiagramm übertragen werden (Bild 1).

Auf der Ordinate sind die Nennspannung σ = F/So und auf der Abszisse die Dehnungen ε = ΔL/Lo aufgetragen. Hierin bedeuten F = Zugkraft (N), So = Anfangsquerschnitt der Probe (mm²), ΔL = Verlängerung der Probe (mm) unter Zugbeanspruchung und Lo = Messlänge auf der Zugprobe vor dem Versuch.

Die Dehnung ε berechnet sich somit aus dem Verhältnis der Längenänderung ΔL zur ursprünglichen Messlänge Lo:

Sie setzt sich zusammen aus einem elastischen und einem plastischen Verformungsanteil. Die elastische Dehnung (εe) ist eine proportionale Dehnung und im Spannungs-Dehnungs-Schaubild als eine Gerade (Hoockesche Gerade) erkennbar. In diesem Bereich verhält sich der Werkstoff elastisch, das heißt die Dehnung verschwindet wieder, wenn die Probe entlastet wird.

Oberhalb einer gewissen Grenzspannung, das heißt am oberen Ende der Hookeschen Geraden, verläuft die Dehnung nicht mehr proportional der angelegten Spannung. Die Grenzspannung, bei der dies eintritt, wird Proportionalitätsgrenze beziehungsweise Elastizitätsgrenze genannt. Wird diese Grenzspannung überschritten, bezeichnet man die Dehnung als nichtproportional. Die Spannung, die eine nichtproportionale Dehnung (εp) von bestimmter Größe bewirkt, wird Dehngrenze (Rp) genannt. Üblicherweise werden die 0,01 %-Dehngrenze Rp0,01 (Technische Elastizitätsgrenze) und/oder die 0,2 %-Dehngrenze (0,2-Grenze) Rp0,2 beziehungsweise mitunter auch die 1 %-Dehngrenze Rp1 bestimmt.

Nach Überschreiten der elastischen Dehnung befindet sich der Werkstoff im plastischen Verformungsbereich, das heißt die Zugprobe wird gereckt und die dabei auftretende Verlängerung bleibt erhalten, auch wenn die Probe wieder entlastet wird; man spricht daher von einer bleibenden Dehnung (εr).

Im ersten Teil des Diagramms von Bild  1 nimmt die Nennspannung linear und proportional der Dehnung zu. Der Proportionalitätsfaktor wird Elastizitätsmodul E genannt; er hat die Dimension einer Spannung (N/mm²) und gibt den Widerstand an, den ein Werkstoff seiner elastischen Streckung (εe) im Proportionalitätsbereich entgegensetzt:

Bei weichgeglühten, kohlenstoffarmen Stählen tritt am oberen Ende der Hookeschen Geraden kein Übergang zur nichtproportionalen Dehnung, sondern ein mehrmaliger Abfall und Wiederanstieg der Nennspannung auf (Bild 1); der Werkstoff beginnt zu fließen. Jene Spannung in diesem Bereich, bei der die Zugkraft unter zunehmender Verlängerung der Probe erstmalig gleichbleibt oder abfällt, wird Streckgrenze (Re) genannt. Tritt ein merklicher Abfall der Zugkraft auf, ist zwischen der oberen Streckgrenze (ReH) und der unteren Streckgrenze (ReL) zu unterscheiden. Die obere Streckgrenze ist die größte Spannung vor dem erstmaligen Abfall der Zugkraft im Fließbereich, während die untere Streckgrenze als kleinste Spannung im Fließbereich definiert wird.

Diese eindeutige Abzeichnung einer Streckgrenze im Spannungs-Dehnungs-Schaubild ist nur bei weichgeglühtem, kohlenstoffarmem Stahl und bei wenigen NE-Metallegierungen gegeben. Meist geht der Spannungsverlauf von der Elastizitätsgrenze aus in einen stetig gekrümmten Kurvenzug über. In diesen Fällen wird die schon erwähnte Dehngrenze für eine bestimmte nichtproportionale Dehnung, zum Beispiel die 0,2 %-Dehngrenze, verwendet. Wie Bild 2 zeigt, lässt sich die 0,2 % Dehngrenze dadurch bestimmen, dass im Spannungs-Dehnungs-Schaubild eine Parallele zur Hookeschen Geraden im Abstand von 0,2 %Dehnung gezogen wird. Die Ordinate des Schnittpunktes mit der Spannungs-Dehnungs-Kurve ist die 0,2 %-Dehngrenze.

Ist die Hookesche Gerade im Spannungs-Dehnungs-Schaubild sehr kurz, sodass sich eine Parallele nicht mit genügender Sicherheit ziehen lässt, wird die Zugprobe bei einer Spannung oberhalb der vermutlichen 0,2-Grenze entlastet und es wird danach die noch bleibende Dehnung bestimmt. Auf diese Weise wird eine sogenannte Entlastungsgerade verwendet, die eine Parallele durch den Abszissenpunkt ε = 0,2 % (Bild 2) bildet. Wenn das letztgenannte Verfahren angewandt wird, ist dies im Prüfbericht zu vermerken.

Im Bereich der plastischen Verformung steigt die Spannung ziemlich gleichmäßig mit der Dehnung, bis ein Spannungshöchstwert (Fm) erreicht wird. Diese Dehnung wird als Gleichmaßdehnung (Ag) bezeichnet, die sich mit der auf die Anfangsmesslänge Lo bezogenen nichtproportionalen Verlängerung ΔLpm bei Beanspruchung der Zugprobe durch die Höchstkraft Fm berechnet lässt:

Der Quotient aus größter Zugkraft Fm und Anfangsquerschnitt So der Zugprobe wird Zugfestigkeit (Rm) genannt:

Vielfach beginnt die Probe nach Erreichen von Fm sich an einer bestimmten Stelle innerhalb des Messlängenbereiches einzuschnüren. Die Nennspannung fällt ab, weil die Einschnürstelle einen kleineren Querschnitt hat. Die weitere Dehnung erfolgt nun nur noch im Bereich dieser Einschnürung. Schließlich bricht die Probe an der Einschnürstelle, und nach dem Zusammenlegen beider Probenteile lässt sich die so erhaltene bleibende Verlängerung ΔLr messen. Hieraus errechnet sich unter Einbeziehung der Anfangsmesslänge Lo die Bruchdehnung A:

Durch Messung des Einschnürquerschnittes (kleinsten Querschnittes) nach dem Bruch (Su) und Bestimmung der Querschnittsänderung ΔS gegenüber dem Anfangsquerschnitt So lässt sich die Brucheinschnürung Z angeben:

Weiterere wichtige Kennwerte zur Beurteilung des Werkstoffverhaltens sind das Streckgrenzenverältnis Re/Rm und das Dehngrenzenverältnis Rp0,2/Rm. Diese Werte zeigen an, in welchem Umfang der betreffende Werkstoff elastisch beansprucht werden darf. Werkstoffe mit hohem Streck- oder Dehngrenzenverhältnis können bei gleicher Zugfestigkeit höher beansprucht und in einem Konstruktionsteil besser ausgenutzt werden.

Bei Eisen-Gusswerkstoffen sind noch zwei weitere komplexe Kennwerte gebräuchlich, nämlich der  Zugfestigkeits/Härte-Quotient m und der R-Wert (Resilience):

Der R-Wert ist das Produkt aus dem m-Wert und der Dehnung (Bruchdehnung in %). Er ermöglicht eine Beurteilung der Zähigkeitseigenschaften, da eine gewisse Proportionalität zum Ergebnis der Schlagzähigkeitsprüfung besteht.

Abschließend sei erwähnt, dass bei Zugproben stets gleiche Messlängenverhältnisse (Lo/do) zugrunde gelegt werden müssen, um vergleichbare Dehnungsergebnisse zu erzielen, (Zugprobe).

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