Erklärte Streckgrenze:Definition, Bedeutung, Diagramme und Berechnungsweise

Das Verständnis der unterschiedlichen Belastungen, denen ein Material ausgesetzt ist, ist der Schlüssel dazu, wie es reagiert, wenn es sich um ein Produkt handelt und wie es auf Druck und Spannungen in der realen Welt reagiert. Wenn Sie eine Vorstellung davon haben, wie es halten wird, haben Sie wissenschaftlich fundierte Sicherheit bei der Auswahl der Materialien und wissen, wie weit sich etwas dehnen, biegen oder komprimieren kann, bevor es bricht und sich verformt. Ein praktisches Konzept, das unter diesen Spannungsbereich fällt, ist die Messung der Streckgrenze, auf die wir weiter unten näher eingehen werden.

Was ist Streckgrenze?

Die Streckgrenze sagt Ingenieuren, wann ein Material von einer elastischen Verformung in eine plastische Verformung übergeht, wobei ersteres der Punkt ist, von dem es zurückspringen sollte, und letzteres ein Punkt, an dem es nicht mehr in seine ursprüngliche Form oder Gestalt zurückkehren kann. Es kann mit einer bestimmten Formel berechnet werden, zu der wir noch kommen werden. Aber zuerst ist es wichtig zu verstehen, wie es in einem Diagramm dargestellt aussieht und welche anderen Punkte es in einem Spannungs-Dehnungs-Diagramm gibt.

Wie hängt die Streckgrenze mit dem 3D-Druck zusammen?

Die Streckgrenze ist für den 3D-Druck relevant, da die Festigkeit eines 3D-gedruckten Teils weitgehend vom Material, der Druckausrichtung und der Druckqualität abhängt. 3D-gedruckte Teile sind innerhalb der Ebene jeder gedruckten Schicht stärker als in der Richtung quer zum aufgebauten Stapel gedruckter Schichten. Die molekularen Bindungen zwischen den Schichten sind schwächer als die innerhalb der Schichten, so dass es bei übermäßiger Krafteinwirkung zu einer Delaminierung kommen kann. Die Ausrichtung eines Teils, um die bessere Festigkeit innerhalb der Schicht zu nutzen, kann die Gesamtstreckgrenze des Teils erhöhen.

Weitere Informationen finden Sie in unserem vollständigen Leitfaden „Alles Wissenswerte zum 3D-Druck“.

Beeinflusst die Streckgrenze die Leistung eines 3D-gedruckten Materials?

Ja, die Streckgrenze eines 3D-gedruckten Materials hat einen großen Einfluss auf seine Leistung. Ein 3D-gedrucktes Teil mit unzureichender Streckgrenze kann sich unter den normalen Betriebslasten in einer Anwendung plastisch verformen. Die plastische Verformung verringert nicht nur die Tragfähigkeit des Teils, sondern erhöht auch die Wahrscheinlichkeit, dass es zu einem Bruch kommt.

Wie versteht man das Spannungs-Dehnungs-Kurvendiagramm der Streckgrenze?

Um eine visuelle Darstellung der Streckgrenze zu erhalten, können Sie Punkte auf einer Spannungs-Dehnungs-Kurve platzieren – aber die Streckgrenze ist nicht das Einzige, was berechnet und in diesem Diagramm dargestellt werden kann. Unten sehen Sie ein Beispiel dafür, wie es aussieht, und wir erklären die anderen Funktionen, die Ihnen auffallen werden.

Weitere Informationen finden Sie in unserem Artikel zur Spannungs-Dehnungs-Kurve.

Was sind die verschiedenen Möglichkeiten, das Spannungs-Dehnungs-Diagramm der Streckgrenze zu erklären?

Die Streckgrenze ist nur ein Punkt auf einer Spannungs-Dehnungs-Kurve. Um diesen Punkt herum befinden sich weitere Merkmale, die anhand einer Spannungs-Dehnungs-Kurve beschrieben und gemessen werden können. Diese interessanten Punkte und Regionen werden in der folgenden Liste erläutert:

1. Fließgrenze

Dies ist der Punkt, der anzeigt, wann die plastische Verformung beginnt, und Herstellern und Ingenieuren eine Vorstellung davon gibt, wie sich ein Material unter Zugfestigkeit verhält. Wenn Sie es nach der Berechnung der Formel selbst zeichnen, werden Sie feststellen, dass es dort existiert, wo der lineare Teil der Spannungs-Dehnungs-Kurve endet und wo der nichtlineare Teil beginnt. Interessanterweise werden Sie auch feststellen, dass einige Materialien zwei haben Streckgrenze, wie Baustahl.

2. Elastizitätsgrenze

Wenn Sie sich diesen Punkt ansehen, erfahren Sie, wie viel Belastung ein Material maximal aushalten kann, bevor es sich dauerhaft verformt. Sobald die Spannung nachlässt, kehrt es in seine ursprüngliche Form zurück. Wenn Sie es jedoch über diese Grenze hinaus verschieben, kommt es zu einer Verformung. Es ist die letzte Station auf dem Weg zur Verformung, bevor die Streckgrenze erreicht wird. 

3. Verhältnismäßigkeitsgrenze

Sie finden diesen Punkt am Ende des linearen Teils der Spannungs-Dehnungs-Kurve und teilen sich den Punkt, an dem Spannung und Dehnung nicht mehr direkt proportional zueinander sind. Um diese Zahl zu ermitteln, verwenden Sie den Elastizitätsmodul, auch Elastizitätsmodul genannt. 

4. Echte elastische Grenze

Dieser Punkt wird nicht oft verwendet, zeigt aber an, wann sich die kristalline Struktur eines Materials unter Belastung zu verschieben beginnt – insbesondere bei der geringsten Belastung, wenn dies geschieht. Der Grund dafür, dass es selten gezeigt wird oder zu viel darüber nachgedacht wird, liegt darin, dass es schwer zu erkennen ist.

5. Obere und untere Ertragspunkte

Die Obergrenze der Streckgrenze zeigt sich, wenn das Kristallgitter des Materials beginnt, Versetzungen in seiner Struktur zu erkennen. Sie wird jedoch selbst durch kleinste Einflüsse auf die Dehnung und die verwendete Testausrüstung stark beeinflusst und ist daher nicht ganz zuverlässig, wenn es um Design- und Konstruktionsentscheidungen geht. Die untere Streckgrenze lässt sich jedoch bei Tests viel einfacher wiederholen und ist der Zeitraum, in dem Luders-Bänder in einem Testabschnitt auftreten, kurz bevor die Kaltverfestigung beginnt.

6. Versetzte Streckgrenze (Prüfgrenze)

Dies wird auch als Dehngrenze bezeichnet und ist die gebräuchlichste Methode zur Beschreibung der Streckgrenze eines Materials. Sie können es finden, indem Sie eine Linie zeichnen, die parallel zum linearen Teil der Spannungs-Dehnungs-Kurve verläuft. Wo sich dieser Punkt und die Spannungs-Dehnungs-Kurve schneiden, ist die Streckgrenze. 

Was bedeuten Einschnürung und Bruch bei der Streckgrenzeprüfung?

Hierbei handelt es sich nicht um Punkte auf der Kurve, sondern um Dinge, die einem Material bei der Prüfung seiner Streckgrenze passieren können. Einschnürung ist eine Form der Verformung, die vor dem Auftreten eines Bruchs bei höchsten technischen Belastungsniveaus auftritt und normalerweise auf einen bestimmten Teil des Materials beschränkt ist. Dann kommt es zu einem Bruch oder Bruch. Sobald eine Einschnürung auftritt, nimmt die Spannung ab, da die Probenfläche kleiner geworden ist.

Welche Bedeutung hat die Ertragsstärke?

Die Streckgrenze ist wichtig, da sie die höchste Spannung charakterisiert, die ein Material ertragen kann, bevor eine dauerhafte Verformung auftritt. Die Streckgrenze eines Materials wird von Ingenieuren häufig verwendet, um die maximal zulässige Belastung zu bestimmen, der ein entworfenes Teil oder eine Konstruktion standhalten kann. Durch die Kenntnis der Streckgrenze eines Materials können Ingenieure sicherere und langlebigere Teile entwerfen.

Wie lautet die Formel für die Streckgrenze?

Um die Streckgrenze zu berechnen, können Sie sich auf die Formel verlassen, die immer zur Bestimmung der Spannung im Allgemeinen verwendet wird. Unten können Sie sehen, wie die Formel ausgeschrieben aussieht.

Das Symbol F in dieser Gleichung steht für die ausgeübte Kraft und A0 ist die Querschnittsfläche der Materialprobe, die Sie testen.

Der Wert wird normalerweise in Pascal (Pa), der SI-Einheit für Spannung, oder in Pfund pro Quadratzoll (psi) ausgedrückt. Die Streckgrenze wird üblicherweise als σY geschrieben, wobei der griechische Buchstabe Sigma für technische Spannung und Y für Streckgrenze verwendet wird. Möglicherweise finden Sie es auch als SY geschrieben.

Was ist die Einheit für die Streckgrenze?

Die Streckgrenze wird normalerweise in Pascal (Pa), der SI-Einheit für Spannung, oder in Pfund pro Quadratzoll (psi) ausgedrückt. 

Was ist das Symbol für Streckgrenze?

Das Symbol für die Streckgrenze ist σY. Der griechische Buchstabe σ ist das Symbol für technische Spannung, während der Index „Y“ „Ertrag“ bedeutet. Gelegentlich wird „SY“ auch zur Bezeichnung der Streckgrenze verwendet.

Wie liest man die Streckgrenze aus einem Spannungs-Dehnungs-Diagramm ab?

Um ein Streckgrenzendiagramm (Spannungs-Dehnungs-Kurve) zu lesen, wählen Sie zunächst einen Spannungswert auf der Y-Achse aus. Zweitens zeichnen Sie eine horizontale Linie, die sich zwischen dem ausgewählten Punkt auf der Y-Achse und der Linie des Spannungs-Dehnungs-Diagramms erstreckt. Drittens markieren Sie den Schnittpunkt der gezeichneten Linie und des Streckgrenzendiagramms. Zeichnen Sie als Nächstes eine vertikale Linie vom markierten Punkt bis zur X-Achse. Der Punkt, an dem die vertikale Linie die X-Achse schneidet, ist die Dehnung, die der ausgewählten Spannung auf der Y-Achse entspricht.

Was sind Beispiele für Streckgrenze?

Der Vergleich von Materialien kann oft die beste Vorstellung davon vermitteln, wie die Streckgrenze dargestellt wird und wie typische Werte aussehen – wir haben hier einige Beispiele zusammengestellt:

1. Stähle: Es hängt davon ab, wie der Stahl geschmiedet, geformt und hergestellt wird, aber warmgewalzter A36-Stahl liegt bei niedrigen 220 MPa, und ölvergütete Stähle können einen höheren Wert von bis zu 1.570 MPa haben.
2. Edelstähle: Der Bereich für rostfreie Stähle kann für einen austenitischen rostfreien Stahl bei etwa 250 MPa beginnen, wohingegen ein ausscheidungsgehärteter rostfreier Stahl eine Streckgrenze von bis zu 1.000 MPa haben kann.
3. Aluminiumlegierungen: Diese sind tendenziell niedriger als bei Stahl, aber höher als bei Kunststoff. Ein 1100er Aluminium hat eine durchschnittliche Streckgrenze von etwa 24 MPa, während ein 7075er Aluminium eine von etwa 483 MPa hat. 
4. Kunststoffe: Abhängig vom Kunststoff, mit dem Sie arbeiten, können Sie eine Streckgrenze von 4 MPa für etwas wie Weich-PVC und 300 MPa für ein mit Kohlenstofffasern gefülltes Polyamid erwarten.

Welches Gerät wird zur Messung der Streckgrenze verwendet?

Zur Messung der Streckgrenze wird eine Universalprüfmaschine, auch Zugprüfmaschine genannt, eingesetzt. Diese Maschinen führen Zugversuche durch, bei denen eine kontinuierlich zunehmende Zugbelastung auf einen Prüfkörper ausgeübt wird, normalerweise mit einer konstanten Dehnungsgeschwindigkeit. Während die Belastung ausgeübt wird, werden die Spannungen und Dehnungen, denen der Prüfling ausgesetzt ist, digital erfasst und grafisch dargestellt.  Die Spannung wird auf der Y-Achse angezeigt, während die Dehnung auf der X-Achse angezeigt wird. Die Streckgrenze wird bestimmt, indem aus dem linearen Teil des Spannungs-Dehnungs-Diagramms eine parallele, versetzte Linie bei 0,2 % positiver Dehnung erstellt wird. Die Spannung am Schnittpunkt der Versatzlinie und des Spannungs-Dehnungs-Diagramms ist die Streckgrenze des Materials.

Weitere Informationen finden Sie in unserem Artikel zur Zugprüfmaschine.

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.

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