Zugversuch

Zugversuch: umfassende Werkstoffprüfung insbesondere im Maschinenbau

Zugversuche haben die Aufgabe, Werkstoffe wie beispielsweise Stähle auf ihre Zugfestigkeit zu prüfen. Die genormten Zugproben lassen Rückschlüsse auf Eigenschaften und Zugverhalten der jeweiligen Materialien zu.

Was ist ein Zugversuch?

Zugversuche nennt man genormte, quasistatische Prüfmethoden, bei denen man bestimmte Werkstoffkennwerte misst. Sie gehören zu den zerstörenden Verfahren, weil die zu testenden Proben oft über die Streckgrenze hinaus belastet werden. Die Werkstoffprüfung erfolgt mithilfe von Zugprüf- und Universalprüfmaschinen. Die Geräte stellen eindimensionale Bewegungsabläufe in einem Spannungs-Dehnungs-Diagramm und einem Kraft-Weg-Diagramm dar. Die ermittelten Kennwerte geben Aufschluss über die Eigenschaften und das Zugverhalten der geprüften Werkstoffe. Welche Prüfmaschine zum Einsatz kommt, hängt von den jeweiligen Anforderungen ab. Neben Tischmodellen (3 kN) gibt es mit Doppelspindel ausgerüstete 50-kN-Varianten und Zugprüfmaschinen mit Großlasten zwischen 300 und 2000 kN.

Die für Zugprüfmaschinen geltenden Normen sind die allgemeine Norm DIN 51222, die DIN EN ISO 6892-1 und DIN EN ISO 7500-1 für metallische Werkstoffe und die ISO 5893 für Kunststoffe und Kautschuk. Welche Anforderungen für die Materialien der Zugprobe gelten, ist in der DIN 50125 festgehalten. Für die Bruchdehnung verwendet man bei manchen Werkstoffen die Messlänge und bei anderen den Proportionalitätsfaktor (Proportionalitätsstäbe). Mit dem Prüfverfahren möchte man beispielsweise herausfinden, welcher Belastung der Werkstoff standhalten kann, ohne sich plastisch zu verformen und bei welcher Kraft das Material zerstört wird. Darüber hinaus bestimmt man damit die Eigenschaften und das Verformungsverhalten von Hartschäumen, weichelastischen Schäumen, Gummi und faserverstärkten Verbundwerkstoffen.

Der Querschnitt der genutzten Probe richtet sich nach dem gewählten Ausgangsmaterial. Hat der Stahl ein hohes Volumen, fertigt man aus dem Vollmaterial eine Probe mit rundem Querschnitt. Geht es um die Werkstoffprüfung bei Blechen, ist eine Flachzugprobe erforderlich (rechteckiger oder quadratischer Querschnitt). Weil das Prüfverfahren auch Aussagen über andere Arten der Beanspruchung zulässt, setzt man es bevorzugt im Maschinenbau ein.

Zugversuche können mit berührenden (Ansetzaufnehmer) und berührungsfreien Messsystemen durchgeführt werden. Bei ersteren werden mindestens zwei Messschneiden an der Probe angelegt. Diese messen die Längenänderung des zwischen ihnen befindlichen Prüfkörpers. Berührungsfreies Messen erfolgt heute oft mit digitalen, optischen Extensometern. Bei ihnen erfasst der im Messgerät befindliche Sensor die Längenänderung. Derartige Messgeräte haben den Vorteil, dass sie auch extrem schnelle Dehnungen präzise erfassen können. Manche Varianten sind sogar für die Messung sehr heißer Materialien geeignet. Weil sie genügend Abstand zum Prüfkörper haben, können sie auch für zerstörende Zugversuche genutzt werden.

Ablauf des Zugversuchs

Der klassische Zugversuch ist die sogenannte Zerreißprobe: Die genormte Werkstoffprobe wird in die Prüfmaschine eingespannt und bei steigender Zugbelastung so lange gedehnt, bis sie zerbricht oder zerreißt. Genutzt werden ausschließlich Prüfkörper mit kleiner Querschnittsfläche. Die Dehnung der Probe erfolgt stoßfrei und mit geringer Geschwindigkeit. Während des Versuchs misst man die auf den Prüfkörper einwirkende Kraft und die Längenänderung in der Messstrecke. Die statische Prüfmaschine erstellt ein Kraft-Weg-Diagramm und zeigt dieses auf dem PC-Monitor an.

Zugprüfmaschinen bestehen aus einer fest angebrachten und einer beweglichen Traverse, die über eine oder zwei Spindeln in Gang gesetzt wird. Der Antrieb arbeitet hydraulisch oder elektrisch. Vor dem Zugversuch definiert man die Geschwindigkeit dieser Traverse und spannt die Zugprobe mittels Probehaltern zwischen den Traversen ein. Anschließend bewegt man die Traverse mit bleibender Geschwindigkeit in eine Richtung, bis der Werkstoff zerreißt. Das Prüfgerät zeichnet die Verformung der Prüfprobe über den Traversenweg oder mittels Dehnungssensor sowie die dafür erforderliche Kraft auf. Anschließend berechnet man Zugspannung und Dehnung, indem man die abgelesenen Werte zu den Abmessungen der Zugprobe in Beziehung setzt. Die Zugspannung wird aus der Querschnittsfläche vor dem Versuch ermittelt. Die Bruchdehnung berechnet man anhand der Traversenverschiebung.

Bei anderen Zugversuchen werden die Bauteile oder Proben so lange einer Zugkraft ausgesetzt, bis die benötigte Prüflast erreicht ist. In diesem Fall handelt es sich um einen nicht zerstörenden Zugversuch. Solche Werkstoffprüfungen werden gemacht, um sicherzustellen, dass das belastete Bauteil den technischen Anforderungen entspricht. Weil sich durch die Weiterverarbeitung die Werkstoffeigenschaften ändern, muss das Material später noch weitere Male getestet werden.

Spannungs-Dehnungs-Diagramm

Anhand des im Anschluss an den Zugversuch erstellten Spannungs-Dehnungs-Diagramms werden folgende Kennwerte ermittelt:

  • Zugfestigkeit
  • Elastizitätsmodul (E-Modul)
  • Streckgrenze (untere, obere)
  • Dehngrenze
  • Bruchdehnung
  • Gleichmaßdehnung
  • Einschnürung

Zugfestigkeit

Die Zugspannung der Probe steigt kontinuierlich bis zu dem Punkt an, bei dem keine weitere Krafterhöhung benötigt wird, um die Längenänderung herbeizuführen. Anschließend zerreißt die Probe. Im Verlauf der gleichmäßigen Dehnung des Werkstoffs kommt es an einer Stelle des Prüfkörpers zu einer Einschnürung. Diese sogenannte Taillenbildung erfolgt, wenn die maximale Kraft überschritten wird. Dann ermittelt man die Zugspannung. Die Einschnürung beschleunigt sich bis zum Bruch der Probe. Handelt es sich bei dem Prüfkörper um einen Metallstab, hat er so viele Versetzungen im Kristallgitter, dass eine Verfestigung unmöglich ist. Sie tragen zur Bildung von Hohlräumen bei. Einschnürung und Hohlräume verringern dann den Probenquerschnitt. Wirkt Spannung auf einen sich verkleinernden Querschnitt ein, vergrößert sich die Einschnürung. Der Metallstab zerreißt.

(Ausgeprägte) Streckgrenze

Bei ihr unterscheidet man zwischen oberer und unterer Streckgrenze. Erstere bezeichnet den Punkt, an dem die Probe erstmals plastisch verformt wird. Die Materialfasern reißen. Es kommt zum Spannungsabfall und zur bleibenden Verlängerung der Probe. Untere Streckgrenze nennt man den Punkt nach der ersten Verformung, an dem der Abfall der Zugspannung am höchsten ist. Anschließend steigt die Zugspannung wieder kontinuierlich an. Bei Werkstoffproben mit stark ausgeprägter Streckgrenze verringert sich die Spannung vor dem Bruch: Die Dehnung nimmt weiter zu, während das Material zu fließen beginnt. Bei Werkstoffen ohne ausgeprägte Streckgrenze wie kaltgeformten und kaltgewalzten Stählen kommt es im Bereich der Zugfestigkeit zum Bruch. Materialien wie unlegierter Baustahl (St 37) haben eine ausgeprägte Streckgrenze.

Elastizitätsmodul

Das Elastizitätsmodul (E-Modul) bezeichnet das linear-elastische Verformungsverhalten. Wurde die Streckgrenze noch nicht erreicht, bildet sich die Verformung vollständig zurück, wenn keine Kraft mehr ausgeübt wird. Der Kennwert ist mit der Steigung der hookeschen Geraden identisch.

Dehngrenze

Als Dehngrenze bezeichnet man den Spannungswert, bei dessen Überschreiten die Probe dauerhaft verlängert wird. Auch wenn anschließend keine Kraft mehr einwirkt, kehrt die Zugprobe nicht zur Ausgangslänge zurück.

Bruchdehnung

Als Bruchdehnung bezeichnet man die nach dem Bruch bleibende Dehnung des Prüfkörpers.

Gleichmaßdehnung

Gleichmaßdehnung nennt man die nicht proportionale Dehnung der Zugprobe beim Erreichen der höchsten Kraft oder maximalen Spannung.

Fazit

Zugversuche kommen in diversen Industrien zum Einsatz, heutzutage auch oft mit der Unterstützung kontaktloser, optischer Messgeräte mit Kamera. Sie liefern präzisere Messergebnisse und eignen sich sogar für Prüfungen, bei denen die Probe zerstört wird.