Zugfestigkeit

Zugfestigkeit: Alles was Sie wissen müssen

In diesem Artikel wird die Zugfestigkeit als das Maximum der Belastung, die ein Material ohne Bruch oder Dehnung aushalten kann, definiert. 

Sie wird als Kraft pro Flächeneinheit gemessen und oft in psi (Pounds per Square Inch) ausgedrückt. Wenn ein Material gedehnt wird und die Belastung unterhalb seiner Zugfestigkeit liegt, kehrt es ganz oder teilweise in seine ursprüngliche Form und Größe zurück. 

Bei Erreichen der Zugfestigkeit beginnt ein duktiles Material, sich plastisch zu verformen und bildet eine verengte Region, den sogenannten Hals, wo es schließlich bricht.

Material

Zugfestigkeit (MPa)

Gummi

15

Glas

33

HDPE

37

Kiefernholz

35

Eichenholz

70

Messing

400

Stahl

850

Diamant

2.800

Aramid/Kevlar

3.500

Kohlenstofffaser

7.000

Bor-Nitrid-Nanoröhren

33.000

Graphen

130.000

Bitte beachten Sie, dass diese Werte näherungsweise sind und je nach spezifischer Zusammensetzung, Wärmebehandlung und Herstellungsprozess variieren können. Es ist immer ratsam, die spezifischen Datenblätter des Herstellers für genaue Informationen zu konsultieren.

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#1 Zugfestigkeit: Grundlagen

Die Zugfestigkeit ist ein wesentliches Maß dafür, wie viel Belastung ein Material aushalten kann, ohne zu brechen, wenn es gestreckt wird. 

Diese Eigenschaft wird durch die maximale Belastung, die ein Material ohne Bruch tragen kann, geteilt durch die ursprüngliche Querschnittsfläche des Materials, definiert. Sie wird häufig in Druckeinheiten wie Pascal (MPa oder GPa für stärkere Materialien) ausgedrückt. 

Eine gängige Methode zur Messung der Zugfestigkeit ist der Zugversuch mit einer Universalprüfmaschine (UTM), die eine kontrollierte Spannung anwendet, bis das Material bricht. Ein Extensometer misst dabei die Veränderungen in der Länge des Probenmaterials. 

Die Form der Probe für Zugversuche ist typischerweise ein Rundstab mit einem breiten Schulterbereich an jedem Ende, an dem die UTM das Material während der Anwendung der Zugspannung hält. 

Während des Ziehens der Probe wird die Veränderung der Messlänge erfasst.

Die Zugfestigkeit ist nicht nur ein Maß für die Belastbarkeit eines Materials unter Spannung, sondern gibt auch Auskunft über das Verhalten des Materials unter diesen Bedingungen. 

Einige Materialien zeigen beispielsweise einen abrupten Bruch, wenn die Zugkapazität erreicht wird, während andere sich verformen oder „einschnüren“, bevor sie vollständig brechen. In Legierungen wird die Zugfestigkeit von der Zusammensetzung beeinflusst, wie beispielsweise dem Kohlenstoffgehalt in Kohlenstoffstählen.

Zugfestigkeit Test

#2 Zugfestigkeit: Materialien im Vergleich

Die Zugfestigkeit variiert je nach Materialtyp. Graphen, beispielsweise, gilt als eines der stärksten Materialien in Bezug auf Zugfestigkeit mit einem Wert von 130.000 MPa, was höher ist als bei Stahl (400 – 2.700 MPa). 

Aufgrund seiner hohen Kapazität für Zugspannungen kann dieses Kohlenstoffallotrop als extrem dünne, aber sehr starke und haltbare Folien hergestellt werden. 

Bor-Nitrid-Nanoröhren weisen eine Zugfestigkeit von 33.000 MPa auf und eignen sich daher für Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt. Kunststoffe hingegen zeigen im Allgemeinen eine relativ geringe Toleranz gegenüber Zugspannungen.

Metalle und Legierungen
Stahl, Titan, Wolfram und Inconel gehören zu den Materialien mit der höchsten Zugfestigkeit. Ihre Belastbarkeit ist entscheidend für Anwendungen, die eine hohe Festigkeit erfordern, wie im Bauwesen, in der Automobilindustrie oder Luft- und Raumfahrt. 

So variiert beispielsweise die Zugfestigkeit von Stahl je nach Legierung und Wärmebehandlung erheblich. Generell gilt jedoch, dass die Zugfestigkeit von Stahl in der Regel bei etwa 400 bis über 2.500 MPa liegt, während Titanlegierungen noch höhere Werte erreichen können.

Nichtmetallische Materialien
Holzarten wie Eiche und Kiefer weisen deutlich niedrigere Zugfestigkeiten auf, typischerweise im Bereich von 35 MPa für Kiefernholz bis zu etwa 70 MPa für Eichenholz. 

Diese Werte sind ausreichend für viele Bauanwendungen, in denen Holz bevorzugt wird, wie beim Hausbau oder in Möbeln.

Verbundwerkstoffe und Hochleistungsmaterialien
Moderne Verbundwerkstoffe wie Kohlefaser oder Aramide (Kevlar) weisen sehr hohe Zugfestigkeiten auf. 

Kohlefaser kann im Zugversuch eine Festigkeit von bis zu 7.000 MPa erreichen, während Aramidfasern Werte von etwa 3.500 MPa haben können. 

Diese Materialien sind besonders für ihre hohe Festigkeit bei geringem Gewicht bekannt und finden Anwendung in Bereichen wie der Luft- und Raumfahrt, im Sportgerätebau und in der ballistischen Schutzkleidung.

Thermoplaste und Elastomere
Plastische Materialien wie Polycarbonate und ABS zeigen im Vergleich zu Metallen und Verbundwerkstoffen deutlich niedrigere Zugfestigkeiten, die aber für viele Anwendungen im Verbraucher- und Industriebereich ausreichend sind. 

O-Ringe aus FFKM erreichen als Beispiel nur eine Zugfestigkeit von 10-20 MPa. 

O-Ringe halbe

#3 Zugfestigkeit: Prüfverfahren und Standards

Das Prüfen der Zugfestigkeit im Zugversuch ist ein kritischer Schritt bei der Untersuchung der mechanischen Eigenschaften von Materialien. Es gibt mehrere Standards, die das Verfahren der Zugfestigkeitsprüfung definieren, um sicherzustellen, dass die Ergebnisse zuverlässig und international vergleichbar sind.

ASTM Standards
Einer der am häufigsten verwendeten Standards ist ASTM E8 bzw. ASTM E8M für Metalle, welcher die Prüfung bei Raumtemperatur beschreibt. 

ASTM E8 bezieht sich auf Messungen in Zoll und Pfund, während ASTM E8M metrische Einheiten verwendet. Beide Standards definieren die Vorbereitung der Proben und den Testablauf, um die Einflüsse des Bearbeitungsprozesses auf die Materialien zu minimieren, da dies die Ergebnisse des Zugfestigkeitstests beeinflussen könnte. 

Ein weiterer wichtiger Standard ist ASTM D638, der sich mit den Zugfestigkeitseigenschaften von Kunststoffen befasst.

ISO Normen
Neben den ASTM-Normen gibt es auch ISO-Normen wie ISO 6892-1, die sich auf die Zugfestigkeitsprüfung von Metallen bei Raumtemperatur konzentriert. 

Diese Norm legt die Methode zur Bestimmung der charakteristischen Werte wie Streckgrenze, Zugfestigkeit und Bruchdehnung fest. Es gibt auch spezifische Normen für verschiedene Temperaturbereiche und Materialtypen, um den unterschiedlichen Anforderungen gerecht zu werden.

Prüfausrüstung und Herausforderungen
Die Auswahl der richtigen Prüfausrüstung ist entscheidend, insbesondere im Hinblick auf Qualitätssicherung und Lieferantenbeziehungen. 

Die Prüfausrüstung sollte kalibriert und mit sicheren Probenhalterungen, Extensometern zur Messung der Dehnung und einem Datenerfassungssystem ausgestattet sein, um genaue Messungen zu gewährleisten. 

Hierbei können Herausforderungen auftreten, wenn die Prüfausrüstung eines Anbieters nicht mit der hochwertigen Maschinerie eines Materiallieferanten übereinstimmt, was zu Diskrepanzen führen kann. 

In solchen Fällen ist eine enge Zusammenarbeit und Abstimmung der Testmethoden und Ausrüstungen erforderlich, um eine Übereinstimmung der Testergebnisse zu gewährleisten.

Zugfestigkeit

#4 Zugfestigkeit: Anwendungsbeispiele

Die im Zugversuch ermittelte Festigkeit ist eine entscheidende Eigenschaft in vielen Industriezweigen und Anwendungen und beeinflusst die Auswahl und Konstruktion von Materialien erheblich.

Luft- und Raumfahrt
In der Luft- und Raumfahrt ist die Zugfestigkeit von Materialien entscheidend, um das Gewicht zu reduzieren und den Kraftstoffverbrauch zu senken, ohne die Sicherheits- oder Leistungsanforderungen zu beeinträchtigen. 

Komposite Materialien, die eine Kombination verschiedener Werkstoffe darstellen, werden aufgrund ihrer überlegenen spezifischen Festigkeit gegenüber einzelnen Materialien häufig verwendet. 

Hier werden auch die Zugfestigkeit von Klebstoffverbindungen, Teppichen, Kabeln, Dichtungen, Schläuchen, Sicherheitsgurten und Verkabelungen gründlich geprüft.

Automobilindustrie
Im Automobilsektor ist die Zugfestigkeit für die Entwicklung und Qualitätskontrolle von leichten und hochfesten Materialien wesentlich, was für Sicherheit und Kraftstoffeffizienz von Bedeutung ist. 

Sie wird unter anderem zur Bestimmung der Bruchfestigkeit von Sicherheitsgurten sowie für die Prüfung der Qualität von Außen- und Innenverkleidungen wie Dichtungen und Griffen verwendet.

Metall- und Bauindustrie
In der Metall- und Bauindustrie wird die ASTM E8-Methode verwendet, um die Zugfestigkeit von Stahl zu bewerten, Materialien mit der richtigen Duktilität und Festigkeit zu produzieren und die Compliance-Standards für hochwertige und sichere Materialien zu erfüllen. 

Auch die Zugfestigkeit von Sicherheitsnetzen, Hölzern und Geotextilien wird getestet.

Elektro- und Elektronikindustrie
In der Elektronikindustrie ist das Verständnis der mechanischen und elektrischen Verhaltensweisen von leitfähigen Filmen und Substraten, die in flexibler Elektronik verwendet werden, essenziell. 

Ebenso ist die Charakterisierung der Abzugseigenschaften von elektrischen Kontakten und Komponenten wichtig.

Medizinische Geräte und Materialien 
Im medizinischen Bereich wird die Zugfestigkeit zur Bewertung der Kompression und Festigkeit von Linsen, chirurgischen Schläuchen, Kathetern und anderen Materialien wie chirurgischen Handschuhen und Silikongummis eingesetzt.

Verpackungs- und Papierindustrie
Die Prüfung der Zugfestigkeit ist auch für die Verpackungs- und Papierindustrie von großer Bedeutung, wo die Festigkeit und Dehnung von Kunststoffen, Karton oder Papier gemessen wird.

Kunststoff- und Gummiindustrie
In der Kunststoff- und Gummiindustrie wird die Zugfestigkeit getestet, um festzustellen, ob Produkte genügend Festigkeit besitzen, um externem physischem Stress standzuhalten.

Sport- und Fitnessindustrie
Auch im Sportbereich spielt die Zugfestigkeit eine wichtige Rolle, z. B. bei der Produktion und Prüfung von Schlägersaiten oder beim Testen der Reiß- und Zugfestigkeit von Materialien, die in Schuhen und Sportausrüstung verwendet werden.

Textilindustrie
In der Textilindustrie wird die Zugfestigkeit verwendet, um zu bewerten, ob ein Stoff stark genug ist, um regelmäßigem Gebrauch standzuhalten und Schäden zu widerstehen.

Zugfestigkeit Bruch

#5 Zugfestigkeit: Zukunftsperspektiven und Innovationen

Die Zukunft der Zugfestigkeitsprüfung wird stark durch die Weiterentwicklung und Implementierung neuer Materialien und Technologien beeinflusst. 

Die wachsende Automatisierung in Prüflaboren ermöglicht es, Prozesse zu optimieren und die Effizienz zu steigern. Automatisierte Prüfverfahren minimieren menschliche Fehler und erhöhen die Zuverlässigkeit der Ergebnisse. 

Darüber hinaus ermöglichen fortschrittliche Technologien wie künstliche Intelligenz und maschinelles Lernen eine präzisere Anpassung und Vorhersage des Materialverhaltens unter Belastung. 

Die Fernüberwachung und -steuerung von Testsystemen, die während der COVID-19-Pandemie an Bedeutung gewannen, werden voraussichtlich auch langfristig beibehalten und weiter ausgebaut werden. Die Materialwissenschaft entwickelt sich ebenfalls rasant weiter. 

Innovative Materialien wie Zellulose-Nanofasern, die stärker als Stahl und Spinnenseide sind, und Platin-Gold-Legierungen, die unter Belastung einen diamantähnlichen Kohlenstoff erzeugen und als Schmiermittel wirken können, sind nur einige der Entwicklungen, die das Potenzial haben, die Herstellung in verschiedenen Branchen zu transformieren.

Die Trends in der Materialwissenschaft gehen in Richtung der Entwicklung von nachhaltigen Materialien, intelligenten und reaktiven Materialien, der Nutzung von Nanotechnologie und der Erweiterung der additiven Fertigung. 

Diese Entwicklungen haben weitreichende Auswirkungen auf Branchen wie Luft- und Raumfahrt, Automobilindustrie und Bauwesen, wo leichte, aber hochfeste Materialien zunehmend an Bedeutung gewinnen.

#6 Zugfestigkeit: Fragen kurz beantwortet

Im folgenden Kapitel werden wir weiterführende Fragen zum Thema Zugfestigkeit und Zugversuch beantworten.

#6.1 Zugfestigkeit von Schrauben

Die Zugfestigkeit von Schrauben ist entscheidend für deren Belastbarkeit unter Zugspannung. Sie bestimmt, wie viel Kraft eine Schraube aushalten kann, bevor sie bricht. Wichtig in Bereichen wie Bau, Maschinenbau und Automobilindustrie. Die Kennzeichnung erfolgt oft durch Klassen wie 8.8 oder 10.9.

#6.2 Zugfestigkeit von Stahl

Die Zugfestigkeit von Stahl, ausgedrückt in MPa, ist zentral für seine Leistungsfähigkeit. Sie variiert je nach Stahlsorte und Behandlung. Höhere Werte weisen auf größere Belastbarkeit und Widerstandsfähigkeit hin, was in Bau, Automobilbau und Maschinenbau besonders wichtig ist.

Material

Zugfestigkeit (MPa)

Baustahl S235

400

Baustahl S355

550

Werkzeugstahl (unlegiert)

700

Vergütungsstahl C45

750

Edelstahl 304

800

Edelstahl 316

820

Hochfester Stahl S690

900

Federstahl

1500

Bitte beachten Sie, dass diese Werte näherungsweise sind und je nach spezifischer Zusammensetzung, Wärmebehandlung und Herstellungsprozess variieren können. Es ist immer ratsam, die spezifischen Datenblätter des Stahlherstellers für genaue Informationen zu konsultieren.

#6.3 Zugfestigkeit Aluminium

Die Zugfestigkeit von Aluminiumlegierungen variiert stark, typischerweise zwischen 70 und 700 MPa. 

Sie hängt von der Legierungszusammensetzung und Wärmebehandlung ab. Aluminium wird wegen seiner hohen Festigkeit bei geringem Gewicht häufig in der Luft- und Raumfahrt, im Fahrzeugbau und in der Bauindustrie eingesetzt

#6.4 Zugfestigkeit berechnen

Zugfestigkeit wird berechnet, indem die maximale Last, bei der ein Material bricht, durch dessen Querschnittsfläche geteilt wird. Diese Berechnung ist grundlegend für die Materialwissenschaft und hilft, die Belastbarkeit von Materialien zu verstehen.

Diese Formel ermöglicht es, die Belastbarkeit und Widerstandsfähigkeit eines Materials gegen Zugkräfte zu bewerten.

σ=F(max)/A

Hierbei ist:

  • die Zugfestigkeit,
  • die maximale Kraft, bei der das Material bricht,
  • die Querschnittsfläche des Materials.
Zugversuch Diagramm

„Ich bin überzeugt davon, dass wir unser Wissen mit der Welt teilen sollten. Ich hoffe, dass ich alle Ihre Fragen beantworten konnte. Sollten Sie noch Fragen haben, dann können Sie sich jederzeit gerne bei uns melden. Wir helfen Ihnen gerne weiter.“

Luke Williams
Luke Williams

Herr der O-Ringe
Autor der Dichtungsakademie

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