Zugfestigkeit

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Die Zugfestigkeit (engl. ultimate tensile strength, UTS) ist die Spannung, die im Zugversuch aus der maximal erreichten Zugkraft bezogen auf den ursprünglichen Querschnitt der Probe errechnet wird.

Als Formelzeichen der Zugfestigkeit wird $ R_m $ [1], $ R_{Z} $ [2], $ \sigma_B $, $ \beta_{Z} $ oder $ f_{ct} $ [3] verwendet. Dimension der Zugfestigkeit ist Kraft pro Fläche. Häufig verwendete Maßeinheiten sind N/mm² oder MPa (Megapascal). Im Spannungs-Dehnungs-Diagramm kann die Zugfestigkeit (Y-Achsen-Wert am höchsten Punkt) direkt abgelesen werden.

„Nominelle“ (rot) und „wahre“ (blau) Spannung im Spannungs-Dehnungs-Diagramm (Die Zugfestigkeit ist mit 1 markiert.)

Die aus dem Spannungs-Dehnungs-Diagramm abgelesenen Spannungswerte (Zugfestigkeit, Streckgrenze) entsprechen nicht der wahren Spannung im Material. Dies liegt daran, dass bei der Berechnung der Spannung die Zugkraft auf den Ausgangsquerschnitt bezogen wird. Der wirkliche Querschnitt ist aber bei der Zugprobe geringer als der Ausgangsquerschnitt (Querkontraktion, Einschnürung). Bei einer elastisch-plastischen Verformung (bei Proben aus duktilen Werkstoffen) ist diese Verformung (Verlängerung und Einschnürung) nach dem Test sicht- und messbar. Oft wird unterschieden zwischen der „wahren“ Spannung $ {\sigma_{wahr} } $ und der „nominellen“ Spannung $ {\sigma_{nominell} } $ („Ingenieur-Spannung“).

Die nominelle Zugfestigkeit entspricht also nicht der wahren Spannung in der Probe im Augenblick des Bruchs, sondern ist geringer.

Das wahre Spannungsmaximum entsteht im Einschnürbereich der Probe. In diesem Bereich erhöht sich die Verformung und allenfalls die Verfestigung bis zum Bruch. Im sogenannten instrumentierten Zugversuch wird der Probenquerschnitt kontinuierlich gemessen und die Kraft auf den wahren Querschnitt bezogen. So untersuchte Proben zeigen einen kontinuierlichen Anstieg der wahren Spannung bis zum Bruch. Der auf diese Weise ermittelte Wert ist jedoch nur von theoretischer Bedeutung.

Die Zugfestigkeit wurde in der Vergangenheit häufig für die Charakterisierung von Werkstoffen verwendet. Ein Beispiel hierfür ist die Bezeichnung von Baustählen. So wurde der Stahl 52 (St52, heute S355) nach seiner Zugfestigkeit von 52 kp/mm² (510 N/mm²) bezeichnet. Aufgrund der Harmonisierung der europäischen und internationalen Normen erfolgt heute die Bezeichnung vieler Stähle nach der Streckgrenze, die aus konstruktiver Sicht ein besserer Kennwert für die Belastbarkeit eines Werkstoffs ist.

Typische Zahlenwerte:

Werkstoff Zugfestigkeit in
N/mm2
Aluminium
45[4]
Titan 235[5]
Magnesium 116[6]
Nickel 370[7]
Chrom 370[7]
Kupfer 200[7]
Kohlenstoffnanoröhren bis 63.000[8][9]

Einzelnachweise

  1. Wolfgang Seidel: Werkstofftechnik. Werkstoffe - Eigenschaften - Prüfung - Anwendung. Carl Hanser Verlag, München 2008, ISBN 978-3-446-40789-3, S. 16.
  2. Siegfried Röbert (Hrsg.): Systematische Baustofflehre Band 1. VEB Verlag für Bauwesen, Berlin 1972, S. 39.
  3. Normenausschuss im Bauwesen im DIN: DIN 1045-1. Tragwerke aus Beton, Stahlbeton und Spannbeton - Teil 1: Bemessung und Konstruktion. Beuth Verlag, 2008, S. 18.
  4. Askeland: Materialwissenschaften: Grundlagen - Übungen - Lösungen. Spektrum Akademischer Verlag, 2010.
  5. Leyens: Titan und Titanlegierungen.
  6. Prof. C. Leyens: Skript Eisen- und Nichteisenmetalle, TU Dresden.
  7. 7,0 7,1 7,2 Dr. Freudenberger: Skript Nichteisenmetalle, TU Bergakademie Freiberg.
  8. Yu, Min-Feng (2000): "Tensile Loading of Ropes of Single Wall Carbon Nanotubes and their Mechanical Properties".
  9. Yu, Min-Feng (2000): "Strength and Breaking Mechanism of Multiwalled Carbon Nanotubes Under Tensile Load".

Siehe auch

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