(WT3) Zugversuch [Grundlagen, Aufbau, Durchführung, Berechnung & Auswertung]

In diesem Kursabschnitt erklären wir dir, was es mit dem Zugversuch auf sich hat. Dabei stellen wir dir alle notwendigen Berechnungen, Formeln und die Versuchsdurchführung mit einer Universalprüfmaschine vor.

Für ein optimales Verständnis helfen dir ausführliche Erklärung und Lernclips + Übungsaufgaben

Mehr zu diesem Thema und der Werkstofftechnik findest du im Kurs: WT3-Werkstoffprüfung

Oder erst mit den Grundlagen starten? Werkstofftechnik-Basics findest du im Kurs: WT1-Einführung-in-die-Werkstofftechnik

Zugversuch – Grundlagen

Was ist der Zugversuch?

“Der Zugversuch ist ein wichtiges Verfahren in der mechanischen Werkstoffprüfung, um Materialeigenschaften zu messen. Je nach Material und Norm wird er genutzt, um die Streckgrenze, Zugfestigkeit, Bruchdehnung und andere Materialkennwerte zu bestimmen.”

Wozu dient der Zugversuch?

Der Zugversuch untersucht das Werkstoffverhalten bei einer einachsigen, stetig zunehmenden Beanspruchung.

Dabei erhält man als Ergebnisse Festigkeits- und Verformungskennwerte, die auch in internationalen Werkstofflisten erfasst wurden und werden. Die Kenntnis dieser Werte ist maßgebend für die Konstruktion von beanspruchten Bauteilen.

Was gibt es hier zu messen?

Die messbaren Kennwerte sind

Dehngrenze,
Streckgrenze
Zugfestigkeit
E-Modul (Elastizitätsmodul)

Obwohl sich diese Kennwerte nur auf statische Belastungen beziehen, so erlauben sie dennoch eine gute Vergleichbarkeit und Beurteilung von Werkstoffen.

Merk’s dir!

Wie so oft in der Werkstoffprüfung sind die Angaben zur Durchführung des Versuchs von metallischen Werkstoffen in einer DIN-Norm niedergeschrieben worden. Es handelt sich dabei um die DIN-Norm DIN EN 10 002.

Die Durchführungen des Versuchs mit Kunststoffen, Textilfasern oder andere NE-Metallen (Nichteisenmetalle) werden in anderen Normen geregelt.

Zugversuch – Beispiele / Anwendungsbereiche

Es wird in verschiedenen Anwendungsbereichen eingesetzt, um wichtige Informationen über das Verhalten von Materialien zu erhalten.

Hier sind einige Beispiele für Anwendungsbereiche des Zugversuchs:

Materialprüfung in der Metallindustrie: Der Zugversuch wird häufig verwendet, um die Zugfestigkeit, Dehnung, Elastizitätsgrenze und Bruchfestigkeit von Metallen und Legierungen zu bestimmen. Dies ist wichtig für die Qualitätssicherung von metallischen Werkstoffen und die Entwicklung neuer Materialien.
Kunststoffindustrie: Sie werden verwendet, um die Festigkeit, Dehnbarkeit und Zähigkeit von Kunststoffen zu charakterisieren. Dies ist wichtig, um sicherzustellen, dass Kunststoffe den Anforderungen in verschiedenen Anwendungen standhalten können, z.B. in der Automobilindustrie, bei der Herstellung von Verpackungen oder in der Baubranche.
Materialforschung und -entwicklung: Der Versuch ermöglicht es Wissenschaftlern und Ingenieuren, das Verhalten neuer Materialien unter Zugbelastung zu untersuchen. Dies kann bei der Entwicklung von leichten und gleichzeitig robusten Materialien für Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt, im Bauwesen oder in der Elektronik von großer Bedeutung sein.
Qualitätskontrolle in der Fertigungsindustrie: Der Versuch wird in der Fertigung eingesetzt, um sicherzustellen, dass die hergestellten Komponenten oder Produkte den spezifizierten Anforderungen entsprechen. Durch die Bestimmung von Zugfestigkeit und Dehnung können mögliche Materialfehler oder Schwachstellen frühzeitig erkannt werden.
Medizinische Anwendungen: Der Versuch wird auch in der Medizin und Biomechanik eingesetzt, um die mechanischen Eigenschaften von Geweben, wie zum Beispiel Knochen, Sehnen oder Bändern, zu untersuchen. Dies kann dazu beitragen, das Verständnis von Verletzungen oder Krankheiten zu verbessern und neue medizinische Implantate oder Prothesen zu entwickeln.

Prüfprinzip

Beim Versuch wird eine zunehmende Zugkraft auf einen Probenstab (flach oder rund) so lange ausgeübt, bis letztlich der Bruch eintritt. Dem Bruch geht eine Verlängerung der Probe längs seiner Stabachse voraus.

Während der Versuchsdauer wird die Beanspruchungsgeschwindigkeit bewusst niedrig gehalten, wodurch es möglich ist die Belastung und die daraus resultierende Verlängerung der Probe stetig zu messen.

Universalprüfmaschine

Der Versuch wird auf einer Universalprüfmaschine durchgeführt. Wie diese aussieht, siehst du schematisch dargestellt in der nächsten Abbildung:

Anhand der Abbildung kannst du auch sehen warum diese Prüfmaschinen ihren Namen trägt. Denn je nach Wunsch lassen sich hier sowohl Zugversuche, als auch Druck- und Biegeversuche durchführen. Im oberen Bereich werden Druck- und Biegeproben eingelegt und im unteren Bereich entsprechend Zugproben.

Zu den Zahlen in der Abbildung:

Linke Zugstange
Rechte Zugstange
Hydraulik – Hier wird die Kraft für die Versuche induziert.
Obere Druckplatte
Biegetisch mit Auflagern
Obere Einspannung
Bereich der Grobeinstellung
Rahmen

Ältere Varianten, die bis heute noch in Gebrauch sind, können Prüfmaschinen mit alleiniger mechanischer oder hydraulischer Krafterzeugung sein.

Kraftverlängerungskurve

Innerhalb der Prüfmaschine befindet sich eine Messeinrichtung die die gemessenen Werte an eine Schreibeinrichtung weiterleitet, welche aus den Messwerten eine Kraft-Verlängerungs-Kurve erzeugt.

Moderne Universalprüfmaschinen, die hydraulisch-elektronisch arbeiten, erlauben sogar neben der statischen Beanspruchung eine dynamische Beanspruchung einer Probe.

Diese eignen sich neben diesen Versuchen je nach Prüfaufbau auch für Druckversuche und Biegeversuche.

Proben – Grundlagen | Wissenswertes

Proben / Probenstäbe

Wie die Zugproben zu gestalten sind, ist in der DIN 50125 geregelt. Ausnahmen bilden dünne Bleche, Druckguss, Temperguss, Grauguss und Schweißverbindungen. Hier gelten zusätzliche, besondere Richtlinien.

Probenformen

Im Grundsatz unterscheiden wir jedoch Rundproben von Flachproben. Beide sind in den nachfolgenden beiden Abbildungen dargestellt:

Rundprobe - Angaben zur Bestimmung der Messgrößen — Rundprobe – Angaben zur Bestimmung der Messgrößen

Flachprobe | Angaben zur Bestimmung der Messgrößen

Beide Formen haben gemein, dass sie als Proportionalitätsstäbe erzeugt werden, um vergleichbare Werte für die Bruchdehnung zu erhalten.

Einspannung

Ein weiteres Unterscheidungskriterium sind die Einspannköpfe. Diese können als

Gewindeköpfe
Schulterköpfe
Kegelköpfe

realisiert werden und erfordern eine entsprechende Gestaltung der Einspannvorrichtung an der Prüfmaschine.

“Auch hier findest du hilfreiche Angaben zu Maßen und Toleranzen für die Zugproben in der oben genannten DIN-Norm.”

Wie die Einspannung mit Spannkeilen aussieht, zeigt dir die nachfolgende Abbildung:

Einspannung der Zugprobe - Schematische Darstellung des Mechanismus — Einspannung der Zugprobe – Schematische Darstellung des Mechanismus

Hier sorgt die zunehmende Zugkraft für eine Erhöhung der Spannkraft. Die eingesetzten Kugelschalen gewährleisten, dass die axiale Zugbeanspruchung optimal erfolgt.

Probenlänge

Auch die Probenlänge kann unabhängig von der Probenform (rund, rechteckig) variieren. So gibt es kurze und lange Proportionalitätsstäbe. Bei diesen stehen Ausgangslänge des Stabes und Ausgangsquerschnitt in einem festen Verhältnis zueinander. Wie sich dieses errechnet, zeigen dir die nachfolgenden Gleichungen:

$L_0 = 5 \cdot d_o = 5,65 \sqrt{S_o}$ Kurzer Stab

$L_0 = 10 \cdot d_o = 11,3 \sqrt{S_o}$ Langer Stab

Kennzahlen:

$d_o =$ Probendurchmesser einer Rundprobe

$L_o =$ Ausgangslänge der Probe bei Raumtemperatur

$S_o =$ Ausgangsquerschnitt der Rund- und Flachprobe

Ist es dir aufgefallen?

Wie du vielleicht bemerkt hast, entspricht das Verhältnis des kurzen Stabes in Bezug auf Länge und Durchmesser exakt dem Verhältnis von Länge und Durchmesser des langen Stabes.

Messmöglichkeiten

Innerhalb der Messphase erfassen wir die elastischen Formänderungsbeträge. Für deren Messung stehen uns unterschiedliche Möglichkeiten zur Verfügung.

Ein rein mechanisches Prinzip ist die Feindehnungsmessung, hier werden Dehnungen des Probenstabs über Hartmetallschneiden (die einen Abstand von $L_o$ zueinander haben) und direkt an der Probe anliegen, exakt auf Messeinrichtungen (Uhren) übertragen.

Berechnungen, Gleichungen [Spannung | Dehnung]

Eine Vergleichbarkeit mehrerer Proben miteinander ist immer dann gewährleistet, wenn die Größen Spannung und Dehnung für die Auswertung benutzt.

Formal geht man wie folgt vor:

Spannung (Nennspannung) = Zugkraft / Ausgangsquerschnitt
Dehnung = Verlängerung / Anfangsmesslänge

Spannung – Formel

Als Gleichung sieht das dann wie folgt aus:

$\sigma = \frac{F}{S_o}$ | Spannung

Kennzahlen:

$\sigma =$ Spannung

$F =$ Zugkraft

$S_o =$ Ausgangsquerschnitt

Dehnung – Formel

Nachfolgend ist die Formel zur Berechnung der Dehnung dargestellt.

$\epsilon = \frac{ L - L_o}{L_o} \cdot 100 = \frac{ \Delta L}{L_o} \cdot 100$ | Dehnung

Kennzahlen:

$\epsilon =$ Dehnung

$L =$ Verlängerte Probe

$L_o$ Ausgangslänge

$\Delta L$ Verlängerung

Einheiten

Die Spannung wird in $\frac{N}{mm^2}$ oder $MPa$ angegeben.
Die Dehnung hingegen wird in % angegeben.

Kraft-Verlängerungskurve-Auswertung

Alle Messergebnisse werden nach der Durchführung des Versuchs mit Hilfe der Kraft-Verlängerungs-Kurve dargestellt.

Was kommt als Nächstes?

In der folgenden Lerneinheit behandeln wir das Spannungs-Dehnungs-Diagramm.

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