Zugfestigkeit bei O-Ringen einfach erklärt

Zugfestigkeit: die Grundlagen

Die Zugfestigkeit ist ein wesentliches Maß dafür, wie viel Belastung ein Werkstoff aushalten kann, ohne zu brechen, wenn er gestreckt wird. Sie beschreibt das Maximum der Belastung, das ein Material ohne Bruch oder bleibende Schädigung erträgt.

Definiert wird sie durch die maximale Last, die ein Werkstoff ohne Bruch trägt, geteilt durch die ursprüngliche Querschnittsfläche der Probe. Angegeben wird die Zugfestigkeit als Kraft pro Flächeneinheit, häufig in Megapascal (MPa), bei sehr festen Werkstoffen auch in Gigapascal (GPa). In der angelsächsischen Praxis findet sich daneben die Angabe in psi (Pounds per Square Inch).

Liegt die aufgebrachte Belastung unterhalb der Zugfestigkeit, kehrt ein elastischer Werkstoff ganz oder teilweise in seine ursprüngliche Form und Größe zurück. Wird die Zugfestigkeit erreicht, beginnt ein duktiles Material sich plastisch zu verformen. Es bildet eine verengte Region, den sogenannten Hals, an der es schließlich bricht. Andere Werkstoffe brechen dagegen abrupt, sobald ihre Zugkapazität erreicht ist.

So wird die Zugfestigkeit gemessen

Eine gängige Methode zur Bestimmung der Zugfestigkeit ist der Zugversuch mit einer Universalprüfmaschine (UTM). Sie bringt eine kontrollierte Spannung auf, bis die Probe bricht. Ein Extensometer erfasst dabei die Veränderung der Länge des Probenmaterials.

Die Probenform für den Zugversuch ist bei Metallen typischerweise ein Rundstab mit einem breiten Schulterbereich an jedem Ende. Dort hält die Maschine das Material, während sie die Zugspannung aufbringt. Während des Ziehens wird die Veränderung der Messlänge fortlaufend aufgezeichnet.

Die Zugfestigkeit ist nicht nur ein Maß für die Belastbarkeit eines Werkstoffs unter Spannung. Sie gibt auch Auskunft über sein Verhalten unter diesen Bedingungen. Manche Werkstoffe zeigen einen abrupten Bruch, sobald die Zugkapazität erreicht ist. Andere verformen sich oder schnüren sich ein, bevor sie vollständig brechen. In Legierungen beeinflusst die Zusammensetzung die Zugfestigkeit, etwa der Kohlenstoffgehalt in Kohlenstoffstählen.

Die Formel für die Zugfestigkeit lautet:

Prüfverfahren und Normen

Das Prüfen der Zugfestigkeit im Zugversuch ist ein kritischer Schritt bei der Untersuchung der mechanischen Eigenschaften von Werkstoffen. Mehrere Normen definieren das Verfahren, damit die Ergebnisse zuverlässig und international vergleichbar sind.

Für Elastomere und damit für O-Ringe ist die ASTM D412 die maßgebliche Norm. Sie beschreibt den Zugversuch an vulkanisiertem Gummi und thermoplastischen Elastomeren und legt fest, wie Zugfestigkeit und Bruchdehnung an genormten Probekörpern ermittelt werden.

Für Metalle gehört ASTM E8 bzw. ASTM E8M zu den am häufigsten verwendeten Standards. Er beschreibt die Prüfung bei Raumtemperatur. ASTM E8 bezieht sich auf Zoll und Pfund, ASTM E8M verwendet metrische Einheiten. Beide definieren die Vorbereitung der Proben und den Testablauf, um die Einflüsse des Bearbeitungsprozesses zu minimieren. Für Kunststoffe gilt ASTM D638.

Neben den ASTM-Normen gibt es ISO-Normen wie ISO 6892-1, die sich auf die Zugfestigkeitsprüfung von Metallen bei Raumtemperatur konzentriert. Diese Norm legt die Bestimmung charakteristischer Werte wie Streckgrenze, Zugfestigkeit und Bruchdehnung fest. Für verschiedene Temperaturbereiche und Werkstofftypen bestehen jeweils eigene Normen.

Die Auswahl der richtigen Prüfausrüstung ist entscheidend. Sie sollte kalibriert sein und über sichere Probenhalterungen, Extensometer zur Messung der Dehnung und ein Datenerfassungssystem verfügen, um genaue Messwerte zu gewährleisten. Stimmt die Prüfausrüstung eines Anbieters nicht mit der Maschinerie eines Materiallieferanten überein, kann das zu Diskrepanzen führen. Dann ist eine enge Abstimmung der Testmethoden und Geräte nötig, damit die Ergebnisse übereinstimmen.

Zugfestigkeit im Werkstoffvergleich

Die Zugfestigkeit variiert stark je nach Werkstofftyp. Bitte beachten Sie, dass die folgenden Werte näherungsweise sind. Sie können je nach Zusammensetzung, Wärmebehandlung und Herstellungsprozess abweichen.

Graphen gilt als einer der festesten bekannten Werkstoffe und übertrifft Stahl deutlich. Bor-Nitrid-Nanoröhren eignen sich aufgrund ihrer hohen Zugfestigkeit für Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt. Metalle und Legierungen wie Stahl, Titan, Wolfram und Inconel zählen zu den Werkstoffen mit der höchsten Zugfestigkeit. Moderne Verbundwerkstoffe wie Kohlefaser oder Aramide verbinden hohe Festigkeit mit geringem Gewicht.

Elastomere liegen am unteren Ende dieser Skala. O-Ringe aus FFKM erreichen beispielsweise nur eine Zugfestigkeit von rund 10 bis 20 MPa. Das ist für eine Dichtung kein Nachteil, denn ein O-Ring soll nicht tragen, sondern abdichten.

Warum die Zugfestigkeit bei O-Ringen zählt

Ein O-Ring trägt keine Last wie ein Bauteil aus Stahl. Trotzdem ist seine Zugfestigkeit relevant, vor allem bei der Montage. Beim Aufziehen über eine Welle oder beim Einlegen in eine Nut wird der Ring kurzzeitig gedehnt. Bleibt diese Dehnung unterhalb der kritischen Grenze, kehrt der Werkstoff in seine Ausgangsform zurück und dichtet zuverlässig ab.

Wird ein O-Ring dagegen über seine Belastbarkeit hinaus gedehnt, kann er einreißen oder bleibend verformt werden. In der Kunststoff- und Gummiindustrie wird die Zugfestigkeit deshalb geprüft, um festzustellen, ob ein Produkt genügend Festigkeit besitzt, um äußerem physischem Stress standzuhalten.

Zugfestigkeit und Bruchdehnung im Zusammenhang

Zugfestigkeit und Bruchdehnung werden im selben Zugversuch ermittelt und gehören eng zusammen. Die Zugfestigkeit gibt an, welche Kraft pro Fläche ein Werkstoff aushält. Die Bruchdehnung gibt an, wie weit er sich bis zum Bruch dehnen lässt.

Für O-Ringe sind beide Kennwerte aussagekräftig. Ein Werkstoff mit hoher Bruchdehnung lässt sich bei der Montage weiter dehnen, ohne zu reißen. Die Zugfestigkeit beschreibt dabei die Grenze der ertragbaren Kraft. Wer einen O-Ring richtig auslegen will, betrachtet beide Werte gemeinsam. Mehr zur Dehnung lesen Sie im Beitrag zur Bruchdehnung.

Häufige Fragen