Zugfestigkeit erklärt:Wichtige Definitionen, Bedeutung, Typen und Beispiele aus der Praxis

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

Was ist Zugfestigkeit?

Die Zugfestigkeit eines Materials gibt an, wie viel Belastung oder Zugkraft es über einen bestimmten Bereich aushalten kann, bevor es sich dauerhaft dehnt oder bricht. Während seine Streckgrenze der Punkt ist, kurz bevor das Material beginnt, sich so zu dehnen, dass es nicht mehr in seine ursprüngliche Form zurückkehren kann, ist die Zugfestigkeit der Punkt, an dem es bricht. Ein Material wie Stahl hat eine hohe Zugfestigkeit, aber ein Gummiband liegt ganz unten auf der Skala. 

Bei Materialien, die sich auf vorhersehbare Weise dehnen – wie zum Beispiel eine Feder – hängt die Reaktion auf die ausgeübte Kraft, ihre „Elastizität“, von ihrer „linearen elastischen Zone“ ab. Liegt die Kraft innerhalb dieses Bereichs, kehrt die Feder nach Wegfall der Kraft in ihre ursprüngliche Form zurück. Andernfalls bricht das Material oder wird irreparabel beschädigt. Wie sich die Zugkraft hinsichtlich ihrer Richtung von anderen Arten unterscheidet, können Sie dem folgenden Diagramm entnehmen.

Welche Bedeutung hat die Durchführung eines Zugfestigkeitstests?

Zugversuche dienen dazu, die Festigkeitseigenschaften neuer Materialformulierungen kennenzulernen. Es wird verwendet, um die Ergebnisse von Wärmebehandlungen anderer Prozesse zu überprüfen oder um zu überprüfen, ob eine Menge Material seinen ursprünglichen Spezifikationen entspricht. Die Validierung der Eigenschaften eingehender Rohstoffe ist ein entscheidender Bestandteil der Prozesskontrolle und Fehlervermeidung. Dabei geht es darum, ob ein Lieferant die Tests durchführt und der Kunde sie akzeptiert, oder ob der Kunde sich dafür entscheidet, die Angaben des Lieferanten zu einer großen Materialmenge zu prüfen.

Im Werk des Teileherstellers kann die Prüfung der Zugfestigkeit von Materialien ein Prozesskontrollschritt sein. Es trägt dazu bei, sicherzustellen, dass sich Materialien im Hinblick auf Wärmebehandlung, Einsatzhärtung, Aushärtung oder jeden anderen Herstellungsschritt, der die Festigkeit und Duktilität des Materials verändert, im richtigen Zustand befinden. Im Forschungs- und Entwicklungsumfeld ist die Zugprüfung eine einfache Möglichkeit, um zu überprüfen, ob eine vorgeschlagene Formulierung die gewünschten Eigenschaften für eine neue Anwendung oder zur Verbesserung einer bestehenden Anwendung aufweist.

Zugversuche können an Probestäben durchgeführt werden, die in Form gegossen oder aus Rohmaterial bearbeitet werden. Sie können auch aus einem tatsächlich gegossenen oder bearbeiteten Bauteil gefertigt werden, wenn die Eigenschaften in einem Abschnitt eines großen Teils dringend überprüft werden müssen.

Welche Bedeutung hat die Zugfestigkeit bei 3D-gedruckten Teilen?

Die Zugfestigkeit ist ein wichtiger Faktor beim 3D-Druck, insbesondere aufgrund der Möglichkeit gerichteter Zugeigenschaften. Beispielsweise weisen 3D-gedruckte Kunststoffteile mithilfe der FDM-Technologie (Fused Deposition Modeling) eine geringere Zugfestigkeit entlang ihrer Z-Achse auf, wobei sich die Z-Achse auf die vertikale Höhe des Teils bezieht. Dies liegt daran, dass die einzelnen Schichten nicht vollständig miteinander verschmolzen sind und nur über eine kleine Fläche miteinander in Kontakt stehen.

Viele Materialdatenblätter für 3D-gedruckte Materialien geben die Zugfestigkeiten in verschiedenen Richtungen innerhalb des Materials an (üblicherweise in Z- und XY-Richtung). Andere 3D-Drucktechnologien wie SLM (selektives Laserschmelzen) erzeugen Teile mit einer 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 sowie der Größe und Richtung der wirkenden Belastungen ab. Wenn ein Teil beispielsweise nur auf Druck belastet wird, spielt die Zugfestigkeit keine Rolle. Oder wenn es sich bei dem Teil um ein Gehäuse für Elektronik handelt, ist die Zugfestigkeit weniger wichtig als die antistatischen und feuchtigkeitsabsorbierenden Eigenschaften. Bei der Konstruktion von 3D-gedruckten Teilen wird das Material anwendungsorientiert ausgewählt und nicht umgekehrt. 

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

Ja, es ist wichtig, die Zugfestigkeit von 3D-gedruckten Materialien zu bestimmen. Allerdings nur, wenn das 3D-gedruckte Teil einer mechanischen Belastung ausgesetzt wird. Wenn Sie beispielsweise ein 3D-gedrucktes ABS-Teil entwerfen, wäre es ein Fehler, normale ABS-Eigenschaften zu verwenden. 3D-Druckmaterialien können im Vergleich zur theoretischen Zugfestigkeit des Materials basierend auf der verwendeten 3D-Drucktechnologie eine geringere Zugfestigkeit aufweisen.

Wie berechnet man die Zugfestigkeit eines Materials?

Um die Zugfestigkeit korrekt zu messen, teilen wir die Kraft pro Einheit einer Querschnittsfläche des Materials statt seiner gesamten Oberfläche. Sie können die Zugfestigkeit eines Materials jedoch nicht direkt berechnen, ohne zuvor die Spannungs-Dehnungs-Kurve zu kennen.

σ =F/A – Gl. 1

• σ =Stress
• F =erzwingen
• A =Fläche

Die SI-Einheit der Zugfestigkeit ist MPa (N/mm2). Grundsätzlich 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 verschiedene Arten der Zugfestigkeit, aber der Begriff kann alles bedeuten, was für Sie am nützlichsten ist. Unter Standardbedingungen ermittelte Zahlen sind beispielsweise für Ingenieure am nützlichsten, die Materialformulierungen oder -chargen vergleichen möchten oder herausfinden möchten, ob ein Material für eine bestimmte Aufgabe geeignet ist. Die am häufigsten verwendeten Typen sind Streckgrenze, Zugfestigkeit und Bruchfestigkeit. Wir werden diese im Folgenden etwas detaillierter betrachten.

1. Streckgrenze

Wie bereits erwähnt, ist die Streckgrenze der Punkt, an dem eine dauerhafte (oder plastische) Verformung eines Materials beginnt. Bei Stahl ist dies der Fall, wenn er über seine Proportionalitätsgrenze hinaus verformt wurde, was normalerweise als gerade Linie auf einer Spannungs-Dehnungs-Kurve sichtbar ist. Für Materialien ohne ausgeprägte Streckgrenze, wie etwa Aluminium, wird die Streckgrenze als die Spannung angegeben, die mit einer Dehnung von 0,2 % zusammenfällt. In den meisten Fällen sind Metallteile so konstruiert, dass die Spannungen in der Betriebsumgebung unter der Streckgrenze bleiben. Bei sehr spröden Materialien wie Keramik versagen diese bereits bei sehr kleinen Verformungen und geben überhaupt nicht nach. Andere Materialien wie Elastomere können ohne Bruch um ein Vielfaches ihrer ursprünglichen Länge gedehnt werden und zeigen nach Wegnahme der Belastung nur eine geringe bleibende Verformung.

2. Bruchfestigkeit

Unter Bruchfestigkeit versteht man den Punkt, an dem das Material der Belastung nicht mehr standhalten kann und bricht. Dies kann als Endpunkt einer Spannungs-Dehnungs-Kurve betrachtet werden, also als Punkt „ε“. ” im Streckgrenzendiagramm oben. Der Bruchpunkt ist auch der Punkt, an dem die Gesamtdehnung gemessen wird.

3. Ultimative Stärke

Dies ist die maximale Belastung, der ein Material standhalten kann, bevor es unter Zugbelastung bricht. Bei einigen Metallen kommt es nach dem Überschreiten ihrer Streckgrenze zu einer Kaltverfestigung, und sie verformen sich mit zunehmender Spannung weiter, bis sie die endgültige Zugfestigkeit des Materials erreichen. Nicht alle Materialien, zum Beispiel Kunststoffe, haben eine genau definierte Zugfestigkeit.

Welches Material hat die höchste Zugfestigkeit?

Das Material mit der höchsten Zugfestigkeit ist Graphen. Graphen hat eine maximale Zugfestigkeit von etwa 130 GPa und ist damit stärker als Kohlenstoffnanoröhren, die bis vor Kurzem die höchste Zugfestigkeit hatten. Diese Materialien sind weitaus stärker als das stärkste elementare Metall Wolfram, das eine Zugfestigkeit von 0,98 GPa hat, oder das etwas stärkere wärmebehandelte Inconel® mit einer Zugfestigkeit von 1,034 GPa. Es muss jedoch beachtet werden, dass weder Graphen noch Kohlenstoff-Nanoröhrchen kostengünstig in Massenproduktion hergestellt werden können. 

Welches Material hat die niedrigste Zugfestigkeit?

Im Vergleich zu Metallen und Keramik weisen Kunststoffe tendenziell eine sehr geringe Zugfestigkeit auf. Beispielsweise hat LDPE (Polyethylen niedriger Dichte) eine Zugfestigkeit von 10 MPa. Es ist schwierig, das Material mit der niedrigsten Zugfestigkeit zu definieren, da Materialien mit geringer Zugfestigkeit nur begrenzte praktische Anwendungsmöglichkeiten haben, insbesondere für tragende Anwendungen. Die Auflistung von Materialien aufgrund geringer Zugfestigkeit ist nicht üblich. 

Welches Gerät wird zur Messung der Zugfestigkeit verwendet?

Mit einem Zugprüfgerät wird die Zugfestigkeit einer Probe gemessen. Diese Maschine greift das Prüfstück an jedem Ende und übt mit konstanter Geschwindigkeit eine kontrollierte Zugkraft darauf aus.  Die Maschine protokolliert automatisch Daten über die aufgebrachte Last und die Verschiebung der Griffe zur weiteren Analyse.

Weitere Informationen finden Sie in unserem vollständigen Artikel über Zugprüfmaschinen.

Was sind die Anwendungen der Zugfestigkeit?

Zugfestigkeit ist eine Materialeigenschaft und hat keine Anwendung.

Welche Faktoren können die Zugfestigkeit eines Materials beeinflussen?

Die Zugfestigkeit kann durch verschiedene Faktoren beeinflusst werden, wie z. B..

1. Temperatur :Die Zugfestigkeit eines Materials nimmt normalerweise ab, wenn seine Temperatur steigt. Unterhalb der Raumtemperatur werden die meisten Materialien etwas fester, aber auch weniger duktil.
2. Kaltverfestigung :Das Gesamtkonzept des Verfahrens besteht darin, ein Material plastisch zu verformen, um es härter zu machen. Durch Walzen, Hämmern, Biegen oder Strecken eines Metalls erfährt seine Kristallstruktur mikroskopische Veränderungen, die die Streckgrenze und Zugfestigkeit erhöhen und gleichzeitig seine Duktilität verringern.
3. Zusatzstoffe :Glas- oder Kohlefasern, die einem Material zugesetzt werden, können die Zugfestigkeit von Nichtmetallen wie beispielsweise Nylon erhöhen.
4. Wärmebehandlung :Wie die Kaltverfestigung verändert auch dies die Mikrostruktur eines Metalls und kann je nach Art der Behandlung entweder zu einer Erhöhung ODER einer Verringerung der Zugfestigkeit führen.
5. Mängel :Oberflächen- und Innenfehler können die Zugfestigkeit eines Materials verringern, da sie Schwachstellen schaffen, an denen Risse entstehen können.

Welche Arten von Zugfestigkeitsversagen gibt es?

Es gibt zwei Hauptarten von Zugfestigkeitsversagen:spröde und duktile Festigkeit.

1. Sprödes Versagen

Sprödes Versagen tritt hauptsächlich bei harten Materialien wie Gusseisen auf. Das Material wird sich kaum verformen, bevor es plötzlich versagt.

Weitere Informationen finden Sie in unserem Artikel zum Thema Sprödbruch

2. Duktiles Versagen

Duktiles Versagen ist die primäre Zugversagensart für viele Baustähle und weichere Materialien wie Aluminium und erfolgt allmählich und nicht augenblicklich. Nachdem das Material nachzugeben beginnt, setzt sich die plastische Verformung fort und lokalisiert sich dann, wodurch ein „Hals“ entsteht, an dem sich das Material endgültig trennt.

Weitere Informationen finden Sie in unserem 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 Zugbelastung erfährt, während die Zugfestigkeit entweder seine Streckgrenze, seine Bruchfestigkeit oder seine Bruchfestigkeit ist.

Was ist der Unterschied zwischen Zugfestigkeit und Streckgrenze?

Die Zugfestigkeit eines Materials gibt an, wie gut es den auf es ausgeübten Zugbelastungen standhält. Mehrere speziell definierte Zugfestigkeitsmetriken sind für Ingenieure wertvoll:Streckgrenze, die Spannung, bei der sich ein Material plastisch zu verformen beginnt, und endgültige Zugfestigkeit, oft auch kurz „Zugfestigkeit“ genannt, die maximale Spannung, die ein Material aushalten kann, bevor ein Versagen unvermeidlich wird.

Was ist die beste Zugfestigkeit für den 3D-Druck?

Bei der Konstruktion von 3D-gedruckten Teilen wird das Material anwendungsorientiert ausgewählt und nicht umgekehrt. Es hängt auch von der Art des Materials sowie der Richtung und Höhe der Belastungen ab. Wenn ein Teil beispielsweise nur auf Druck belastet wird oder es sich um ein Gehäuse für Elektronikgeräte handelt (bei denen antistatische und feuchtigkeitsabsorbierende Eigenschaften wichtiger sind), spielt die Zugfestigkeit keine große Rolle. Wenn das Teil einer mechanischen Belastung ausgesetzt wird, müssen Sie unbedingt die Zugfestigkeit kennen.

Wenn Sie beispielsweise ein 3D-gedrucktes ABS-Teil entwerfen, wäre es ein Fehler, normale ABS-Eigenschaften zu verwenden. 3D-Druckmaterialien können im Vergleich zur theoretischen Zugfestigkeit des Materials, basierend auf der verwendeten 3D-Drucktechnologie, eine geringere Zugfestigkeit aufweisen. Viele Materialdatenblätter für 3D-gedruckte Materialien zeigen die Zugfestigkeiten in verschiedenen Richtungen innerhalb des Materials (üblicherweise in Z- und XY-Richtung). Andere 3D-Drucktechnologien wie SLM (selektives Laserschmelzen) erzeugen Teile mit einer isotropen Struktur, was bedeutet, dass ihre Eigenschaften in alle Richtungen gleich sind.

Kat de Naoum

Kat de Naoum ist eine Autorin, Autorin, Redakteurin und Inhaltsspezialistin aus Großbritannien mit mehr als 20 Jahren Erfahrung als Autorin. Kat hat Erfahrung als Autorin für verschiedene Fertigungs- und Technikunternehmen und liebt die Welt des Ingenieurwesens. Neben ihrer Tätigkeit als Schriftstellerin war Kat fast zehn Jahre lang als Rechtsanwaltsgehilfin tätig, davon sieben Jahre in der Schiffsfinanzierung. Sie hat für zahlreiche Publikationen geschrieben, sowohl in gedruckter Form als auch online. Kat hat einen BA in englischer Literatur und Philosophie sowie einen MA in kreativem Schreiben von der Kingston University.

Lesen Sie weitere Artikel von Kat de Naoum