Zugfestigkeit erklärt: Definitionen, Bedeutung, Arten und Praxisbeispiele

Für Hersteller ist die Zugfestigkeit eines der ersten Dinge, die bei der Auswahl eines geeigneten Materials für ihre Produkte benötigt werden. In diesem Artikel decken wir genau ab, was es ist, wie es sich von anderen ähnlichen Spezifikationen unterscheidet und wie man es berechnet.

Was ist Zugfestigkeit?

Die Zugfestigkeit eines Materials ist die Belastung oder Zugkraft, die es über einen spezifischen Bereich aushalten kann, bevor es sich entweder dauerhaft dehnt oder bricht. Während seine Streckgrenze der Punkt ist, kurz bevor das Material anfängt, sich so zu dehnen, dass es nicht zu seiner ursprünglichen Form zurückkehren kann, ist die Zugfestigkeit der Punkt, an dem es bricht. Ein Material wie Stahl hat eine hohe Zugfestigkeit, aber ein Gummiband wird ganz unten auf der Skala stehen.

Für Materialien, die sich vorhersehbar dehnen – wie eine Feder zum Beispiel – hängt die Reaktion auf die angewendete Kraft, ihre „Elastizität“, von ihrer „linearen elastischen Zone“ ab. Wenn die Kraft innerhalb dieser Zone liegt, kehrt die Feder zu ihrer ursprünglichen Form zurück, sobald die Kraft weg ist. Wenn nicht, bricht das Material oder wird irreparabel beschädigt. Sie können sehen, wie Zugkraft sich von anderen Arten in Bezug auf ihre Richtung im untenstehenden Diagramm unterscheidet.

Was ist die Bedeutung eines Zugfestigkeitstests?

Zugtests werden verwendet, um die Festigkeitseigenschaften neuer Materialformulierungen kennenzulernen. Sie werden verwendet, um Ergebnisse von Wärmebehandlungen oder anderen Prozessen zu überprüfen, oder um zu verifizieren, dass ein Materiallos seinen ursprünglichen Spezifikationen entspricht. Die Validierung der Eigenschaften eingehender Rohmaterialien ist ein kritischer Teil der Prozesskontrolle und Ausfallverhütung. Dies gilt, ob ein Lieferant den Test durchführt und der Kunde ihn akzeptiert, oder ob der Kunde die Behauptungen des Lieferanten über ein Materiallos überprüft.

In der Fertigungsanlage des Teileherstellers kann das Testen der Zugfestigkeit von Materialien ein Prozesskontrollschritt sein. Es hilft sicherzustellen, dass Materialien in der korrekten Verfassung bezüglich Wärmebehandlung, Einsatzhärtung, Aushärtung oder jedem anderen Fertigungsschritt sind, der die Festigkeit und Duktilität des Materials ändert. In einer Forschungs- und Entwicklungsumgebung ist Zugtesten ein einfacher Weg, um zu überprüfen, ob eine vorgeschlagene Formulierung die für eine neue Anwendung oder für die Verbesserung einer bestehenden gesuchten Eigenschaften hat.

Zugtests können an Prüfstäben durchgeführt werden, die in Form gegossen oder aus Rohmaterial bearbeitet wurden. Sie können auch aus einem tatsächlichen gegossenen oder bearbeiteten Bauteil bearbeitet werden, wenn ein kritischer Bedarf besteht, Eigenschaften in einem Abschnitt eines großen Teils zu prüfen.

Was ist die Bedeutung der Zugfestigkeit bei 3D-gedruckten Teilen?

Zugfestigkeit ist ein wichtiger Faktor im 3D-Druck, speziell aufgrund des Potenzials für richtungsabhängige Zugfestigkeitseigenschaften. Zum Beispiel haben 3D-gedruckte Kunststoffteile mit FDM (Fused Deposition Modeling) Technologie eine niedrigere Zugfestigkeit entlang ihrer Z-Achse, wo die Z-Achse die vertikale Höhe des Teils bezeichnet. Dies liegt daran, dass die einzelnen Schichten nicht vollständig miteinander verschmolzen sind und nur über eine kleine Oberfläche miteinander in Kontakt stehen.

Viele Materialdatenblätter für 3D-gedruckte Materialien geben die Zugfestigkeiten in verschiedenen Richtungen innerhalb des Materials an (häufig in Z- und XY-Richtung). Andere 3D-Drucktechnologien wie SLM (Selective Laser Melting) produzieren Teile mit isotropen Struktur, was bedeutet, dass ihre Eigenschaften in alle Richtungen gleich sind.

Was ist die ideale Zugfestigkeit für 3D-Druckmaterialien?

Die ideale Zugfestigkeit hängt von der Anwendung des Teils, dem verwendeten Material und der Größe und Richtung der angewendeten Lasten ab. Zum Beispiel, wenn ein Teil nur in Druck belastet wird, dann spielt Zugfestigkeit keine Rolle. Oder wenn das Teil ein Gehäuse für Elektronik ist, dann ist Zugfestigkeit weniger wichtig als antistatische und Feuchtigkeitsaufnahme-Eigenschaften. Beim Design von 3D-gedruckten Teilen wird das Material basierend auf der Anwendung ausgewählt und nicht andersherum.

Ist es wichtig, die Zugfestigkeit von 3D-gedruckten Materialien zu bestimmen?

Ja, es ist wichtig, die Zugfestigkeit von 3D-gedruckten Materialien zu bestimmen. Aber nur, wenn das 3D-gedruckte Teil mechanischer Belastung ausgesetzt wird. Zum Beispiel, wenn man ein 3D-gedrucktes ABS-Teil entwirft, wäre es ein Fehler, normale ABS-Eigenschaften zu verwenden. 3D-Druckmaterial kann niedrigere Zugfestigkeit im Vergleich zur theoretischen Zugfestigkeit des Materials basierend auf der verwendeten 3D-Drucktechnologie haben.

Wie berechnet man die Zugfestigkeit eines Materials?

Um die Zugfestigkeit korrekt zu messen, teilen wir die Kraft pro Einheit eines Querschnittsbereichs des Materials statt seiner gesamten Oberfläche. Aber Sie können die Zugfestigkeit eines Materials nicht direkt berechnen, ohne zuerst seine Spannungs-Dehnungs-Kurve zu kennen.

σ = F/A – Gl. 1

σ = Spannung
F = Kraft
A = Fläche

Die SI-Einheit der Zugfestigkeit ist MPa (N/mm²). Im Grunde entspricht die Festigkeit der Spannung am Versagenspunkt des Materials, und dieser Versagenspunkt kann durch die Kraft pro Flächeneinheit charakterisiert werden.

Was sind die verschiedenen Arten der Zugfestigkeit?

Es gibt einige verschiedene Arten der Zugfestigkeit, aber der Begriff kann bedeuten, was für Sie am nützlichsten ist. Zum Beispiel werden Zahlen, die unter Standardbedingungen ermittelt wurden, für Ingenieure am nützlichsten sein, die Materialformulierungen oder Lose vergleichen wollen, oder die herausfinden wollen, ob ein Material für eine bestimmte Aufgabe gut geeignet ist. Die häufigsten verwendeten Arten sind Streckgrenze, Höchstzugfestigkeit und Bruchfestigkeit, und wir schauen uns diese unten genauer an.

1. Streckgrenze (Yield Strength)

Wie bereits früher erwähnt, ist die Streckgrenze der Punkt, an dem dauerhafte (oder plastische) Verformung in einem Material beginnt. Für Stahl ist dies der Fall, sobald er über seinen Proportionalitätsgrenzwert verformt wurde, normalerweise als Gerade auf einer Spannungs-Dehnungs-Kurve zu sehen. Für Material ohne eindeutigen Streckpunkt, wie Aluminium, wird die Streckgrenze als die Spannung angegeben, die mit 0,2 % Dehnung zusammenfällt. In den meisten Fällen werden Metallteile so designed, dass Spannungen in der Betriebsumgebung unter der Streckgrenze bleiben. Bei sehr spröden Materialien wie Keramik versagen diese bei sehr kleinen Verformungen und strecken überhaupt nicht. Andere Materialien wie Elastomere können viele Male ihre ursprüngliche Länge dehnen, ohne zu brechen, und zeigen nur eine kleine Menge dauerhafter Verformung, nachdem die Last entfernt wurde.

2. Bruchfestigkeit (Breaking Strength)

Auch als Bruchfestigkeit bekannt, bezieht sich dies auf den Punkt, an dem das Material keine Last mehr tragen kann und bricht. Dies kann als Endpunkt einer Spannungs-Dehnungs-Kurve gesehen werden, also Punkt „ε“ im Streckgrenzen-Diagramm oben. Der Bruchpunkt ist auch der Punkt, der für die Messung der Gesamtdelhnung verwendet wird.

3. Höchstfestigkeit (Ultimate Strength)

Dies ist die maximale Spannung, die ein Material aushalten kann, bevor es unter einer Zuglast bricht. Einige Metalle erfahren Strain Hardening nach Überschreitung ihrer Streckgrenze und verformen sich weiter, während die Spannung zunimmt, bis sie die höchste Zugfestigkeit des Materials erreichen. Nicht alle Materialien, zum Beispiel Kunststoffe, haben eine gut definierte höchste Zugfestigkeit.

Welches Material hat die höchste Zugfestigkeit?

Das Material mit der höchsten Zugfestigkeit ist Graphen. Graphen hat eine höchste Zugfestigkeit von ungefähr 130 GPa, was es stärker macht als Kohlenstoffnanoröhren, die bis vor kurzem die höchste Zugfestigkeit hatten. Diese Materialien sind weit stärker als das stärkste elementare Metall, Wolfram, das eine höchste Zugfestigkeit von 0,98 GPa hat, oder das leicht stärkeren wärmebehandelten Inconel® mit einer höchsten Zugfestigkeit von 1,034 GPa. Es muss jedoch angemerkt werden, dass weder Graphen noch Kohlenstoffnanoröhren kostengünstig massenproduziert werden können.

Welches Material hat die niedrigste Zugfestigkeit?

Kunststoffe neigen dazu, sehr niedrige Zugfestigkeiten im Vergleich zu Metallen und Keramiken zu haben. Zum Beispiel hat LDPE (Low-Density Polyethylen) eine Zugfestigkeit von 10 MPa. Die Definition des Materials mit der niedrigsten Zugfestigkeit ist schwierig, da Materialien mit niedriger Zugfestigkeit begrenzte praktische Anwendung haben, speziell für tragende Anwendungen. Die Auflistung von Materialien basierend auf niedriger Zugfestigkeit ist keine gängige Praxis.

Welches Gerät wird zur Messung der Zugfestigkeit verwendet?

Ein Zugprüfer wird verwendet, um die Zugfestigkeit eines Probenstücks zu messen. Diese Maschine greift das Teststück an jedem Ende und wendet eine kontrollierte Menge an Zugkraft an, mit konstanter Rate. Die Maschine protokolliert automatisch Daten über die angewendete Last und die Verschiebung der Griffe für weitere Analyse.

Um mehr zu erfahren, sehen Sie unseren vollständigen Artikel über Zugprüfmaschinen.

Was sind die Anwendungen der Zugfestigkeit?

Zugfestigkeit ist aeine Materialeigenschaft und hat keine Anwendung.

Welche Faktoren können die Zugfestigkeit eines Materials beeinflussen?

Die Zugfestigkeit kann durch verschiedene Faktoren beeinflusst werden, wie:

Temperatur: Die Zugfestigkeit eines Materials sinkt normalerweise, wenn seine Temperatur steigt. Unter Raumtemperatur werden die meisten Materialien leicht stärker, aber sie werden auch weniger duktil.
Kaltverfestigung (Work hardening): Das Konzept des gesamten Prozesses ist es, ein Material plastisch zu verformen, um es härter zu machen. Durch Walzen, Hämmern, Biegen oder Dehnen eines Metalls durchläuft seine Kristallstruktur mikroskopische Veränderungen, die die Streckgrenze und höchste Zugfestigkeit erhöhen, während gleichzeitig seine Duktilität verringert wird.
Zusatzstoffe: Glas- oder Kohlenstofffasern, die einem Material hinzugefügt werden, können die Zugfestigkeit von Nichteisenmetallen wie Nylon erhöhen.
Wärmebehandlung: Wie Kaltverfestigung ändert dies auch die Mikrostruktur eines Metalls und, abhängig von der Art der Behandlung, könnte dies entweder zu einer Erhöhung ODER einer Verringerung der Zugfestigkeit führen.
Fehler: Oberflächen- und interne Fehler können die Zugfestigkeit eines Materials verringern, da sie Schwachstellen schaffen, an denen Risse beginnen können.

Was sind die zwei Arten von Zugfestigkeitsversagen?

Es gibt zwei Hauptarten von Zugfestigkeitsversagen: spröde und duktil.

1. Sprödes Versagen (Brittle Failure)

Sprödes Versagen tritt hauptsächlich bei harten Materialien wie Gusseisen auf. Das Material verformt sich nicht viel, bevor es plötzlich versagt.

Um mehr zu erfahren, sehen Sie unseren Artikel über sprödes Versagen.

2. Duktiles Versagen (Ductile Failure)

Duktiles Versagen ist der primäre Zugversagensmodus für viele Strukturstähle und weichere Materialien wie Aluminium und ist allmählich statt augenblicklich. Nachdem das Material zu strecken beginnt, setzt sich die plastische Verformung fort, dann lokalisiert sie sich, wodurch ein „Einschnürung“ entsteht, der die Stelle der endgültigen Trennung des Materials sein wird.

Um mehr zu erfahren, sehen Sie unseren Artikel über duktiles Versagen.

Häufig gestellte Fragen zur Zugfestigkeit

Was ist der Unterschied zwischen Zugfestigkeit und Zugspannung?

Die Zugspannung eines Materials ist die Kraft pro Flächeneinheit, die es aufgrund einer Zuglast erfährt, aber die Zugfestigkeit ist entweder seine Streckgrenze, höchste oder Bruchfestigkeit.

Was ist der Unterschied zwischen Zugfestigkeit und Streckgrenze?

Die Zugfestigkeit eines Materials zeigt, wie gut es Zuglasten widerstehen kann, die auf es angewendet werden. Mehrere spezifisch definierte Zugfestigkeitsmetriken sind für Ingenieure wertvoll: Streckgrenze, die Spannung, bei der ein Material anfängt, sich plastisch zu verformen, und höchste Zugfestigkeit, oft einfach als „Zugfestigkeit“ bezeichnet, was die maximale Spannung ist, die ein Material aushalten kann, bevor Versagen unvermeidlich wird.

Was ist die beste Zugfestigkeit für 3D-Druck?

Beim Design von 3D-gedruckten Teilen wird das Material basierend auf der Anwendung ausgewählt und nicht andersherum. Es hängt auch von der Materialart und der Richtung und Menge der Lasten ab. Zum Beispiel, wenn ein Teil nur in Druck belastet wird oder wenn es ein Gehäuse für Elektronik sein wird (wo antistatische und Feuchtigkeitsaufnahmeeigenschaften wichtiger sind), dann spielt Zugfestigkeit keine große Rolle. Wenn das Teil mechanischer Belastung ausgesetzt wird, müssen Sie definitiv die Zugfestigkeit kennen.

Zum Beispiel, wenn Sie ein 3D-gedrucktes ABS-Teil entwerfen, wäre es ein Fehler, normale ABS-Eigenschaften zu verwenden. 3D-Druckmaterial kann niedrigere Zugfestigkeit im Vergleich zur theoretischen Zugfestigkeit des Materials basierend auf der verwendeten 3D-Drucktechnologie haben. Viele Materialdatenblätter für 3D-gedruckte Materialien zeigen die Zugfestigkeiten in verschiedenen Richtungen innerhalb des Materials (häufig in Z- und XY-Richtung). Andere 3D-Drucktechnologien wie SLM (Selective Laser Melting) produzieren Teile mit isotropen Struktur, was bedeutet, dass ihre Eigenschaften in alle Richtungen gleich sind.

Kat de Naoum
Kat de Naoum ist eine Schriftstellerin, Autorin, Redakteurin und Content-Spezialistin aus Großbritannien mit 20+ Jahren Schreiberfahrung. Kat hat Erfahrung im Schreiben für eine Vielzahl von Fertigungs- und technischen Organisationen und liebt die Welt des Engineerings. Neben dem Schreiben war Kat fast 10 Jahre Paralegal, davon sieben in Schiffsfinanzierung. Sie hat für viele Publikationen geschrieben, sowohl Print als auch Online. Kat hat einen BA in englischer Literatur und Philosophie und einen MA in kreativem Schreiben von der Kingston University.