Metall Zugversuch nach ISO 6892 | Theorie der Zugprüfung

Ermittlung der Zugfestigkeit | Bruchdehnung | Streck- & Dehngrenze

 

Der Zugversuch Metallische Werkstoffe ist in der ISO 6892 genormt und wird in der DIN EN ISO 6892 in nationales Recht umgesetzt. Die ISO 6892 unterscheidet einen Zugversuch gemäß

  • ISO 6892 Teil 1: Prüfverfahren bei Raumtemperatur
  • ISO 6892 Teil 2: Prüfverfahren bei erhöhter Temperatur
  • ISO 6892 Teil 3: Prüfverfahren bei tiefen Temperaturen
  • ISO 6892 Teil 4: Prüfverfahren in flüssigem Helium

Neben diesen Normen wird der Zugversuch ISO 6892 für besondere Produkte in der ISO 898 (Schrauben), DIN 488 (Betonstahl / Armierungen für Betonbauteile) und weiteren Normen / Produktnormen behandelt. Abgrenzung (hier nicht behandelt): Zugversuch an Bauteilen, Fertigprodukten, Baugruppen, Komponenten, Zugversuch an Kunststoff, Zugversuch Elastomere / Gummi

Nachfolgend wird der Zugversuch Metallische Werkstoffe gem. ISO 6892-1 erklärt: Was bedeuten:

  • E-Modul (Elastitzitätsmodul) und warum ist es wichtig diesen Wert zu ermitteln?
  • Schädigungsgrenzen              a.) Streckgrenze ReH / ReL              b.) Dehngrenze Rp0,2 (sowie Rp1,0 und Rp0,01)
  • Zugfestigkeit Rm
  • Lüders-Dehnung | Gleichmaßdehnung Ag / Agt | Dehnung bzw. Bruchdehnung A5,65 / A11,3 / A80 / A50 / A100 / A200
  • Einschnürung Z

    Ablauf eines Zugversuchs für metallische Werkstoffe

    Der Zugversuch an Metall gemäß ISO 6892 bezieht sich immer auf einen homogenen Querschnitt. Die Zugprobe wird dabei im sensiblen, elastischen Anfangs-Bereich (reversible Verlängerung = elastische Dehnung) mit sehr geringer Geschwindigkeit gedehnt. Gerade im Übergangsbereich zwischen elastischer und plastischer Dehnung ist es sehr wichtig, dass diese "Kriechgeschwindigkeit" möglichst konstant gehalten wird. Im späteren, plastischen Bereich (irreversible Verlängerung / bleibende Dehnung) wird die Dehnung pro Sekunde deutlich erhöht. Der Versuch ist beendet sofern die Probe zweigeteilt ist oder ein anderes Bruchkriterium definiert wurde. Zur Schonung der Maschine und / oder des Dehnungsmessers kann festgelegt werden, dass der Kraft- / Spannungs-Abfall um z. B. 20 % (auf 80% der Restkraft) ausreicht um einen Stillstand der Maschine mit anschließender, automatischer Kraftentlastung auszulösen. In diesem Fall entsteht (insbesondere bei hohen Kräften) keine spontane Kraftentladung - die Kraft wird sanft und ohne Schlag entlastet.

    Für einen Zugversuch nach ISO 6892 wird benötigt:

    • eine Zugprüfmaschine (Univeralprüfmaschine) mit einer Güteklasse 1 gem. ISO 7500 (Mindestanforderung)
    • für das Material und die Probenform erforderliches Spannzeug
    • je nach Budget, gewünschtem Ergebnis, Komfort der Auswertung:
      Ein Extensometer (alte Bezeichnung Dehnungsmesser):
      * manuelle Anklemm-Extensometer (meist nur geringer Messweg zur Bestimmung des E-Modul und der Dehngrenze Rp0,2)
      * Tastarm-Extensometer (Langweg-Extensometer zur Ermittlung des E-Moduls und der Gleichmaßdehnung sowie Bruchdehnung)
      * kontaktlose Video-Extensometer (Kontrastverfolgung von auf der Probe aufgebrachten Messmarken - bis zum Probenbruch)
      * kontaktlose Laser-Speckle-Extensometer (Oberflächen-Struktur-Erkennung und Verfolgung - bis zum Probenbruch)
    • und nicht zuletzt die Zugprobe selber
      Anmerkung: Diese muss sehr exakt und normkonform gefertigt werden denn: Zugversuch - Ergebnisse sind (selbst bei der Nutzung einer erstklassigen Zugprüfmaschine) immer nur so exakt wie die Qualität der Zugprobe dies ermöglicht!

     


     

    Durchführung des Zugversuchs an Metallen nach Verfahren A Dehngeschwindigkeit

    Die Norm ISO 6892 empfiehlt die Durchführung des Zugversuchs an Metallen nach dem Verfahren A. In diesem wird die Probe definiert verlängert (gedehnt = Dehnregelung). Im elastischen Anteil (Anfang des Graphen mit steiler, gerader Anstiegslinie) muss dies mit einer "Kriechgeschwindigkeit" erfolgen da in diesem sensiblen Bereich eine Überhöhung der Dehngeschwindigkeit zu einer Verfälschung (Überhöhung) der zu ermittelnden Kennwerte führen kann. Gem. ISO 6892 ist eine  Dehnrate von 0,000'25mm/mm/S zu verwenden. Diese Dehngeschwindigkeit wird von der Prüfsoftware mit dem (variablen) L0 der Zugprobe (bzw. dem Le Schneiden-Abstand des Dehnungsmessers) multipliziert.

    Im elastischen Anteil des Versuchs ist der Dehnungsmesser die Führungsgröße (so genannter geschlossener Regelkreis / "Closed Loop" Regelung) für die Verlängerung der Probe (Distanzerhöhung der Messschneiden Le pro Sekunde). Bei z. B. einer Rundprobe Ø 10 mm mit einem L0 von 50 mm ergibt dies eine Dehnrate von 0,00025mm x 50mm = 0,012'5 mm/Sekunde (0,75mm/Minute).

    Sofern eine ausgeprägte Streckgrenze auftritt (ReH = „Zick-Zack-Kurve“ vertikal) würde der Dehnungsmesser sehr unstet ausgelenkt werden. Dies könnte, falls der Dehnungsmesser weiterhin in den Regelkreis einbezogen bleibe - zu einer unsteten, schlecht zu kontrollierenden Regelung führen. Daher sieht die Norm vor das in diesem und den folgenden Teilen nicht mehr der Dehnungsmesser sondern die Traversengeschwindigkeit als Führungsgröße genutzt wird. Auch im Bereich der Lüdersdehnung / Streckgrenzendehnung (ReH, ReL „Zick-Zack-Kurve“) wird die Dehngeschwindigkeit bei 0,00025mm/mm/Sekunde belassen (Kriechgeschwindigkeit). Da der Dehnungsmesser als Führungsgröße entfällt wird die Dehnrate nun nicht mehr auf der Basis des L0 sondern auf Basis des Lc (parallele Länge zwischen den Radien der Zugprobe / bei Parallelstreifen = LV Klemmlänge) der Probe genutzt. Bei der hier als Beispiel genutzten Rundprobe ergibt diese eine Traversengeschwindigkeit (im offenem Regelkreis / Open Loop) von: 0,000'25mm x Lc 60mm = 0,015mm/Sekunde (0,9mm/Minute). Sobald die Lüdersdehnung endet (stetiger Kraftanstieg ohne weiteren spontanen Kraft- / Spannungsabfälle) wird in die erhöhte Dehngeschwindigkeit umgeschaltet.

    Sofern keine ausgeprägte Steckgrenze auftritt (materialabhängig) oder nach dem Verlassen der Streckgrenzen-Dehnung / Lüders-Dehnung wird in diesem Übergang in die Plastizität (bleibende Verlängerung) nach Überschreitung der Dehngrenze Rp1.0 / z. B. bei 1,2% Dehnung die Geschwindigkeit möglichst sanft auf 0,006'7mm/mm/s erhöht. Da es im weiteren Verlauf der plastischen Dehnung zu einer partiellen Einschnürung / Einschnürungs-Dehnung / Brucheinschnürung  (Taillenbildung im Zugversuch - nach Überschreitung der maximalen Kraft Fm) auch außerhalb der Schneiden des Dehnungsmessers kommen kann (der Dehnungsmesser registriert keine Distanzerhöhung da die Verlängerung außerhalb der Schneiden erfolgt) wird in dieser Phase ebenfalls nicht der Dehnungsmesser als Führungsgröße genutzt sondern es erfolgt eine Verlängerung auf der Basis der Querhauptverschiebung (offener Regelkreis). Somit wird von der Prüfsoftware die Geschwindigkeitsvorgabe nicht mehr mit dem Abstand der Dehnungsmesser-Schneiden (Le 50) sondern der parallelen Länge Lc 60 (von Übergangsradius zu Übergangsradius bzw. Klemmlänge LV) genutzt: 0,006'7mm/mm/s x 60mm = 0,402mm/Sekunde (24,12mm/Minute).

     


     

     

    Zugversuch ISO 6892 als fester Bestandteil der Qualitätssicherung

    Werkstoffe und Materialien können in der Industrie heute mit hoher Exaktheit auf die gewünschte Materialgüte hin produziert werden. Trotzdem muss der Prozess der Materialerzeugung und der Weiterbehandlung bis hin zum fertigen Endprodukt (Material - nicht Bauteil) ständig überwacht werden, da verschiedenste Faktoren die Qualität stark beeinflussen können. So ist z. B. in der Stahlindustrie in der flüssigen Phase des Roheisens / Rohstahls die Zusammensetzung der Legierung fast einziges Kriterium. Hier wird z. B. eine Spektralanalyse verwendet um die verschiedenen Elemente bis hin zu Spurenelementen bestimmen zu können. Bei der Weiterverarbeitung kommt es aber durch die verschiedensten Verfahren teilweise zu extremen Beeinflussungen des Materials. Die Eigenschaften des Materials können durch verschiedenste Behandlungsmethoden extrem verändert werden. Als Beispiel sind hier einige wenige Bearbeitungsverfahren genannt:

    • Walzen des Stahls zur Form- / Dickenänderung - Verdichtung des Materials = höhere Zugfestigkeit und Härte, geringere Dehnfähigkeit
    • Härtung des Stahls - Gefügeveränderung = höhere Zugfestigkeit und Härte, geringere Dehnfähigkeit, Versprödung
    • Verzinkung - Materialauftrag = verhindert rosten, die chemische Behandlung in mehreren Schritten kann zu Versprödungen führen
    • Zwischenglühen - Gefüge entspannt sich = Zugfestigkeit + Härte verringern sich, Dehnfähigkeit steigt, Versprödung sinkt
    • Strahlen des Materials (mit Stahlkugel, Keramikkugeln, Sand) - Materialabtrag (Rost) / Oberflächenverdichtung = Zugfestigkeit / Härte an der Oberfläche steigt

    Durch eine Vielzahl weiterer Behandlungs- und Verarbeitungsschritte können sich die Materialeigenschaften dramatisch ändern. Wenn aber die Konstruktion eines Bauteils oder z. B. einer Brücke die Verwendung eines Stahls mit einer Festigkeit von 800 MPa vorsieht, dann muss auch geprüft werden, dass diese Anforderung erfüllt wird. Ein Versagen des Bauteils muss ausgeschlossen sein (Brückenbau, Fahrzeugkarosserien, Kräne und alle Baugruppen und Komponenten die statische oder dynamische Lasten aufnehmen muss).

    Hier Diagramme die den Unterschied zwischen einer Streckgrenze und einer Dehngrenze darstellen (links: Diagramme mit Streckgrenze / rechts: Diagramme mit einer Dehngrenze)

     


     

     

    Ermittlung der Materialeigenschaften eines metallischen Werkstoffs

     

    Es gibt nicht grundsätzlich "gutes" oder "schlechtes" Material sondern der Einsatzzweck (und Kosten) bestimmt die Anforderungen an den Werkstoff und deren Eigenschaften. So muss z. B. ein Stahl für ein Ventil in einem Verbrennungsmotor extrem hochfest und hart sein, damit ein vorzeitiger Verschleiß verhindert wird. Hingegen muss ein Blech für einen Autokotflügel relativ weich sein, damit die Umformung ohne Risse / Bruch des Materials erfolgen kann (Tiefziehprozess). 

    Die Materialeigenschaften werden u. a. dadurch ermittelt, dass eine Zugprobe (z. B. Zylinderkopfprobe, Gewindekopfprobe, Schulterkopfprobe usw.) mittels einem Metall-Zugversuch geprüft wird. Am häufigsten wird ein Zugversuch durchgeführt in der Stahlindustrie, Kunststoffindustrie, Gummiindustrie und einige mehr.

    Je nach Verwendungsart werden die Produkte (Basismaterialien) in verschiedenen Geometrien verarbeitet (Rohre, Stangen, Brammen, Bleche und natürlich auch ganze Bauteile). Somit sind verschiedenste Probenformen erforderlich um die Materialkenndaten ermitteln zu können. Besitzt das Produkt ein großes Volumen so wird in der Stahlindustrie in vielen Fällen aus dem Vollmaterial eine Zugprobe mit einem runden Querschnitt hergestellt (Drehbank). Andere Produkte (z. B. Bleche) erfordern es, dass eine Flachzugprobe mit quadratischem oder rechteckigem Querschnitt hergestellt und geprüft wird.

    Damit die Ergebnisse unabhängig vom Querschnitt miteinander verglichen werden können werden alle Messwerte auf eine Vergleichsgeometrie bezogen. Dies ist in der Regel mm² für die Festigkeit bzw. eine Bezugslänge L0 (Länge Null - Fachbegriff: Ausgangsmesslänge) für die Dehnung. So wird z. B. die Zugfestigkeit (Kurzzeichen Rm) in der Einheit N/mm² (Newton per mm²) bzw. gem. ISO 6892 in MPa ausgewiesen (Mega-Pascal = Umrechnungsfaktor 1:1 zu Newton mm²). 

    Bei einem

    • Kunststoff liegt die Zugfestigkeit bei z. B. 20 MPa (zur Veranschaulichung: ~ 2 kgf Gewichtskraft je mm²)
    • weichen Blech (Autokotflügel) bei 200 MPa (zur Veranschaulichung: ~ 20 kgf Gewichtskraft  je mm²)
    • hochfesten Federstahl bei 2.100 MPa (zur Veranschaulichung: ~ 210 kpf Gewichtskraft je mm²)

    Um diese Einheit werten zu  können sei für den "Normalbürger" an dieser Stelle zur Veranschaulichung gesagt:
    1000 MPa entsprechen etwa 100 kgf Gewichtskraft (ca. 101,93 kg - Divisor 9,807)

    Wenn man einen eckigen Draht mit einem Querschnitt von 1 x 1 mm = 1 mm² mit einer Kraft von 1000 Newton (bezogen auf 1 mm² = 1000 MPa) bzw. 101,93 kg belastet wird dieser gedehnt und bricht. Der Prüfling wird in ein Spannzeug eingespannt und mit sehr langsamer, stetig steigender Verlängerung beaufschlagt. Die Aufzeichnung des Versuchs erfolgt heute auf elektronischer Basis in Form eines Diagramms. Bei heutigen elektronischen Auswertesystemen dient das Diagramm jedoch nur noch der visuellen Kontrolle und Darstellung des Versuchsverlaufs. Die Kennwerte werden anhand komplexer Algorithmen ermittelt. Die Diagrammdarstellung und die Ergebnisse sollen und müssen jedoch annähernd deckungsgleich sein, um dem Anwender einen Vergleich zwischen Messwert <-> Diagramm zu liefern um eine visuelle Beurteilung zu ermöglichen.

     


     

     

    Grundsätzliches zu den nachfolgenden Diagrammen

    Kenndaten mit R (Spannungswerte σ) kennzeichnen die aktuell an diesem Punkt anstehende Kraft geteilt durch die Anfangs-Querschnittsfläche (S0) der Probe - im Diagramm auf der vertikalen Achse dargestellt / "abgelesen".
    Kenndaten mit A (Dehnungswerte ε) kennzeichnen die aktuell an diesem Punkt anstehende Verlängerung (Dehnung) des Prüflings bezogen auf eine Ausgangsbasis (L0 - Anfangsmesslänge) - im Diagramm auf der horizontalen Achse des Graphen dargestellt / "abgelesen"
    Die einfachste Form der Erklärung ist meist die Darstellung anhand von Skizzen. Nachfolgend eine Skizze eines Graphen Streckgrenzen-Material

     


     

     

    Material mit ausgeprägter Streckgrenze

    Bei diesem Material handelt es sich um einen Eisen-Werkstoff. Dieses Material unterscheidet sich von Stählen durch die Zusätze in der Legierung (Beimischung anderer Metalle). Sofern dieses Material einer Zugbeanspruchung unterzogen wird dehnt sich dies zunächst im elastischen Teil und erfährt eine Lüders-Dehnung (unten mehr).

     


     

     

    Erklärung der Werkstoffkenndaten

    • ReH - Obere Streckgrenze
      Wird der Prüfling weiterbelastet, so erfolgt eine erste Schädigung: Kräfteverbünde im Material versagen (vereinfacht: Fasern reißen) und es kommt zum spontanen Kraftabfall (bzw. Spannungsabfall). Dieser höchste Punkt auf der Geraden wird als ReH bezeichnet. Nach dieser ersten Schädigung verlängert sich die Probe irreversibel - bleibend verlängert. Bis zu dem Kennwerte ReH könnte der Konstrukteur einen Werkstoff (Bauteil) belasten ohne dass dieser bleibend geschädigt wird. Natürlich bleibt der Konstrukteur zur Sicherheit deutlich von diesem Punkt entfernt.
    • ReL - Untere Streckgrenze
      Nachdem die erste Schädigung des Materials erfolgte (ReH) fällt die Kraft / Spannung (je nach Material) sehr deutlich. Dies erfolgt teilweise auf einen deutlich niedrigeren Wert als dies für die Lüders-Dehnung üblich ist. Den ersten (sehr tiefen) Abfall der Spannung nennt man Einschwingverhalten (extremer Ausschlag der Kurve nach unten direkt nach ReH). Dieser Ausschlag bleibt für den Kennwert ReL unbeachtet. Im nun folgenden Lüders-Bereich wird der unterste Ausschlag des Graphen gesucht. Dieser Punkt wird als untere Streckgrenze bezeichnet und ergibt den Punkt auf den die Spannung maximal abfällt bevor im weiteren Verlauf ein erneuter stetiger Anstieg der Spannung erfolgt.
    • Verfestigung des Materials (stetiger Anstieg nach der Lüders-Dehnung)
      Nachdem alle "problematischen" Kräfteverbünde gerissen sind (Lüders-Dehnung abgeschlossen) steigt die Spannung erneut und stetig an. Dies kann man etwas so erklären: Einzelne Fasern in einem Seil waren zu kurz. Diese sind nun gerissen (Lüders-Verhalten). Nachdem nun alle "zu kurzen Fasern" gerissen sind übernehmen nun wieder alle Fasern eines Seils die Last - die Spannung steigt stetig erneut an (ohne das weitere einzelne Fasern reißen).
    • Rm - Zugfestigkeit
      Nachdem die Spannung stetig weiter angestiegen ist kommt es zu einem Zustand bei dem keine weitere Kraftsteigerung erforderlich ist um die Zugprobe zu verlängern: Das Material dehnt sich gleichmäßig weiter bis das an einer Stelle eine (anfangs geringe) Einschnürung (Taillenbildung) des Prüflings beginnt. Der höchste Punkt der Kraft (Spannung) wird ermittelt und die Zugspannung ermittelt (Maximale Kraft durch Probenquerschnitt = Rm in N/mm² bzw. richtiger MPa). Nach Überschreitung der maximalen Kraft beginnt sich die Probe an einer Stelle einzuschnüren. Diese Einschnürung erfolgt nun immer schneller bis das der Prüfling bricht und zweigeteilt ist.
    • Lüders - Dehnung Ae (im Diagramm nicht mit einem Kennbuchstaben eingezeichnet)
      Im nun folgenden Teil des Zugversuchs passieren diese Spannungsabfälle (je nach Materialeigenschaft) unterschiedlich oft: Es entsteht eine Oszillations-Kurve die nach seinem Entdecker als Lüders-Dehnung bezeichnet wird. Dabei rutschen die Kristalle / Kräfteverbünde aneinander vorbei (Spannungsabfall) und verhaken sich erneut (Spannungsanstieg). Am einfachsten kann man sich das vorstellen wie die einzelnen Fasern einen  wenn man die Fasern eines Seils (unten mehr).
    • Elastische Dehnung (Verlängerung der Probe bis ReH)
    • Plastische Dehnung (Verlängerung der Probe nach ReH bzw. nach Verlassen der Geraden)
      Sobald die Streckgrenze ReH überschritten ist bzw. die gerade Linie der Elastizität verlassen wird beginnt die bleibende „plastische“ Dehnung. Die Probe wird bleibend verlängert und kehrt nicht mehr zur Ausgangslänge zurück auch wenn die Kraft gänzlich entlastet wird.
    • Bruchdehnung A
      Ist die bleibende Dehnung die die Probe bis zum Bruch erfährt. Sobald die Probe bricht zieht sich der elastische Anteil wieder zusammen und verkürzt die Probe etwas (typisch 0,3%).
    • Totale Bruchdehnung At
      Ist die bleibende Dehnung die die Probe bis zum Bruch erfährt zuzüglich des elastischen Anteils. Diese Dehnung kann nur dann gemessen werden wenn ein Dehnungsmesser die Verlängerung der Probe (bleibende Dehnung inklusive elastischem Anteil) bis zum Bruch aufzeichnet.
    • Gleichmaßdehnung Ag
      Die normgerechte Zugprobe dehnt sich in dem parallelen Bereich des Querschnitts gleichmäßig. Üblicherweise besitzt eine normgerechte Zugprobe eine Hantelform (Knochenform). Die Gleichmaßdehnung Ag ist Dehnung dieser Probe von Radius zu Radius bis zum Kraftmaximum.
    • Totale Gleichmaßdehnung Agt
      Wie Ag - jedoch einschließlich dem elastischen Anteil (der elastische Anteil zieht sich nach dem Bruch wieder zusammen)

     

     


     

     

    Material ohne ausgeprägte Streckgrenze

    Bei diesem Material handelt es sich entweder um einen Eisen-Werkstoff der einer weiteren Behandlung unterzogen wurde (Kaltumformung, Wärmebehandlung, etc.) oder um einen Stahl (Eisen mit zusätzlicher Legierung). Bei diesen Materialien ist die von Eisen bekannte Streckgrenze nicht mehr vorhanden bzw. legierter Stahl und andere Metalle (Aluminium, Bronze etc.) weisen keine Streckgrenze auf. Das Material wird bei einem Zugversuch stetig verlängert ohne dass es zu einem spontanen Kraftabfall (Spannungsabfall) kommt. Eine bleibende Verlängerung (Schädigung) des Materials ist also nicht so augenscheinlich erkennbar wie bei dem ersten Diagramm. Somit wurde in der Normung eine Ersatzstreckgrenze - die Dehngrenze als Möglichkeit zur Feststellung der ersten Schädigung definiert. Dabei wird beobachtet bei welcher Kraft bzw. Spannung das Material die Elastizität verlässt und bleibend verformt (gedehnt) wird. Als Vergleichsmaßstab wurde dazu allgemein festgelegt eine Verlängerung um 0,2 % bleibende Dehnung heranzuziehen.

    Hooksche-Gerade
    Durch Robert Hook wurde entdeckt, dass jeder Körper ein elastisches Verhalten aufweist. Verlängert man einen Körper um eine nicht zu hohe Länge so zieht sich dieser wieder zusammen. Am augenfälligsten ist dies bei Gummi oder einer Feder zu beobachten.

    Elastizitätsmodul
    Das Elastizitätsmodul ist die Errechnung des Material-Kennwertes des durch Hook endeckten Material-Elastizitätswertes. Am einfachsten ist diese Funktion zu erklären als Federkonstante des Materials. Zieht man eine Feder auseinander muss man für die Verlängerung einer Feder eine bestimmte Kraft pro mm verwenden. Z. B. braucht man dafür 100 N (ca. 10 kg) um die Feder 1 mm zu verlängern. Die Federkonstante C = 100 N /mm. Das E-Modul wird ähnlich berechnet. Jedoch werden die Kräfte durch Spannungen und die Längen durch Dehnungen ersetzt. Das so nominale E-Modul eines Materials z. B. Stahl (je nach Legierung z. B. 210.000 MPa) ergibt sich aus folgender theoretischer Berechnung: Könnte man die Ausgangslänge L0 verdoppeln ohne das der Stahl bleibend verlängert (geschädigt) wird (ohne das die Kurve horizontal abkippt) würde das Material eine Spannung erreichen von besagten 210.000 MPa. Dies ist sicher nicht möglich denn jeder Stahl würde bei einer Verlängerung um 100 % lange plastisch verformt und sicher auch brechen. Aber das E-Modul ist eben nur eine theoretische Zahl. Diese drückt letztlich die Steilheit der Hookschen-Geraden (theoretischer Graphen) aus - die rote Linie im Diagramm. Das E-Modul muss bestimmt werden um zu dieser geraden Linie einen Versatz von 0,2 % (oder andere) auftragen zu können um dann an dem Schnittpunkt dieser parallelen Geraden die Spannung abgreifen zu können.

    Dehngrenze Rp0,2
    Spannungswert der ermittelt wird sobald die Probe um 0,2% Dehnung bleibend verlängert wurde. Dafür wird parallel zum E-Modul eine Gerade gebildet. An dem Kreuzungspunkt zum Graphen wir die Spannung bei 0,2 % Dehnung abgegriffen.

    Dehngrenze Rp0.01
    Wie Rp0,2 jedoch bei 0,01 % Verlängerung. Dies ist die kleinste übliche Dehngrenze und wird z. B. im Maschinenbau für statische Berechnungen genutzt. Eine Konstruktion darf nur so hoch belastet werden das dies niemals bleibend verformt wird. Also ist für die statische Berechnung ein noch kleinerer Kennwert der bleibenden Verformung von Interesse. Zur Auswertung wird parallel zum E-Modul eine Gerade gebildet. An dem Kreuzungspunkt zum Graphen wir die Spannung bei 0,01 % Dehnung abgegriffen.

    Dehngrenze Rp1.0
    Diese Dehngrenze ist weniger üblich.Sie entspricht der Spannung bei einer bleibenden Verlängerung der Probe um 1.0% Dehnung.

     


     

     

    Vergleichbarkeit der Bruchdehnung

    Im allgemeinen Sprachgebrauch bezieht sich Dehnung auf Erfahrungen und Beobachtungen unseres täglichen Lebens. Da wir dieses Phänomen nur an sehr elastischen, hochdehnfähigen Materialien beobachten können ist dieser Begriff mit einer Verlängerung belegt die sich auf Werkstoffe wie Gummi bezieht. Die Beobachtung verleitet dazu, dass sich alle Bereiche der (Gummi-) Zugprobe gleichmäßig verlängern bis zum Bruch. Man kann theoretisch einen Parallelstreifen oder Rundstab einer Zugbelastung aussetzen und zu jedem Zeitpunkt des Zugversuchs an jeder Stelle die gleiche Verlängerung abgreifen (Gleichmaßdehnung bis zum Bruch).

    1. Gummi bleibt bis zum Bruch komplett elastisch und zieht sich - solange es nicht gerissen ist - gänzlich zusammen bis auf die Ausgangslänge.
      Metallverhält sich anders: Ist einmal eine Schädigungs-Schwelle überschritten kommt des (auch wenn noch keine Schädigung / Einschnürung zu sehen ist) zu einer bleibenden Verlängerung. Sobald die Probe zum Beispiel um 1 mm verlängert wurde zieht sich diese Verlängerung nur um 0,3 mm zusammen - 0,7 mm Verlängerung verbleibt.
       
    2. Zunächst verlängert sich eine Stahlprobe tatsächlich an allen Stellen (eines homogenen Querschnitts) gleichmäßig (Gleichmaßdehnung). Dieses Verhalten ändert sich jedoch dramatisch. Sobald alle Gefügebestandteile bis zum Maximum verlängert wurden erfolgt das weitere Fließen nur noch partiell. Dort wo später der Bruch eintritt fließt das Material überproportional und es kommt zu einer Einschnürung (Taillenbildung). Im Bereich des späteren Bruchs kommt es zu einen Fließverhalten (Dehnung) wohingegen andere Bereiche nicht mehr verlängert werden.
       
    3. Dehnung ist Querschnitts- bzw. Volumenabhängig:
      Am Beispiel von Luftballons wird dies deutlich:
      Ein kleiner Luftballon kann bis zum Platzen nur gering aufgeblasen werden.
      Ein großer Luftballon kann entsprechend größer aufgeblasen werden.

      Stahl: Eine Probe mit einem großem Querschnitt besitzt im Inneren mehr Material zum Fließen als ein geringer Querschnitt. Daher kann eine Probe mit großem Querschnitt (bei gleicher Proben- bzw. Ausgangslänge) höher verlängert werden als eine Probe mit geringem Querschnitt:
      Ein Rundstab Ø 10 mm kann von 100 mm auf 120 mm verlängert werden.
      Ein Rundstab Ø 20 mm kann von 100 mm auf 125 mm verlängert werden (+ 5 mm).

    Um die Bruchdehnung vergleichbar zu machen musste in die Dehnungsberechnung eine Systematik integriert werden um das differente Volumen zu berücksichtigen. Da Metall in Bezug auf das Volumen proportional fließt (mehr Volumen = höhere Verlängerung) wurde diese Gesetzmäßigkeit einbezogen. Die Bezugslänge Lo (Länge Null) wird also Querschnittsbezogen immer wieder neu berechnet indem der Proportionalitätsfaktor einbezogen wird. So wird also nicht mit einem starren Lo geprüft sondern die Länge Null (Lo ) wird berechnet unter Einbeziehung des Proportionalitätsfaktors K:
    Lo = K x (Wurzel So)
    K   = Proportionalitätsfaktor 5,65
    So = Probenquerschnitt in mm²

    Berechnung des Lo (Ausgangslänge)
    Rundprobe Ø 10 mm: Lo = 5,65 x (Wurzel(10 x 10 x 3,14 /4)) = ~ 50,06 ~ 50 mm
    Rundprobe Ø 12 mm: Lo = 5,65 x (Wurzel(12 x 12 x 3,14 /4)) = ~ 60,07 ~ 60 mm

    Neben dem Proportionalitätsfaktor K 5,65 gibt es noch den weniger gebräuchlichen Faktor 11,3.

    Ein Tastarmdehnungsmesser bzw. Langwegdehnungsmesser vereinfacht die Prüfung bzw. Auswertung der Bruchdehnung: Dieser kontaktiert mit seinen Schneiden die Probe bei exakt diesem Maß (50,0 mm oder andere, nicht gerundete Zahlen) und verfolgt diese Anfangsmesslänge (Lo) bis zum Bruch. Die Berechnung kann dann auf einfache Weise erfolgen da nur Messwerte des Tastarmdehnungsmessers in die Messung einfließen.

    Sofern kein (kostenintensiver) Langwegdehnungsmesser (Tastarmdehnungsmesser) verwendet wird muss die Probe vor dem Versuch markiert werden in einem Rasterabstand von 5 mm bzw. mit Körnerpunkten (die keinen vorzeitigen Bruch an dieser Stelle provozieren). Nach dem Bruch werden die Bruchstücke aneinandergelegt und die verlängerte Ausgangsmesslänge vermessen.

     


     

     

    Besonderheiten bei dünnen Blechen

    Sofern Bleche zu dünn sind kann aus der Dicke heraus kein Material fließen: Die Probe dehnt sich nicht proportional zum Querschnitt. Bei Blechen unter 3 mm Dicke wird daher die Dehnung an einer "nichtproportionalen Flachprobe" mit starrer Bezugslänge ermittelt. Bei Eisen- und Stahlblech erfolgt die Dehnungsberechnung auf Basis eines Ausgangslänge Lo von 80 mm (A80 Dehnung). Bei NE-Metallen erfolgt die Dehnungsberechnung auf Basis eines Lo von 50 mm (A50 Dehnung).

     


     

     

    Dehnung ist nicht gleich Dehnung

    Sofern das Ergebnis der Bruchdehnung keinen Index enthält (also nur Großbuchstabe A) muss man von einen Fließverhalten proportional zum Volumen ausgehen. In diesem Fall handelt es sich um die Bruchdehnung A(5,65).
    Ist das Fließverhalten NICHT PROPORTIONAL muss dem Dehnungswert ein Index angefügt werden: Es handelt sich um eine nichtproportionale Flachprobe A80 oder A50 (bzw. das proportionale Fließverhalten A11,3)

    Sofern Sie also Dehnungen vergleichen wolle müssen Sie (falls erforderlich) einen Index beachten. Falls die Dehnung unterschiedlicher Proben verglichen werden müssen diese umgerechnet werden. Dafür gibt es Berechnungsformeln bzw. wir haben eine Webseite geschaffen die die Dehnung in andere Dehnungsarten umrechnet.

    Berechnung Bruchdehnung (Darstellung: Probenverlängerung in mm)

    In der Grafik wird gezeigt warum die Bruchdehnung nicht über den Traversenweg gemessen werden kann: Die Dehnungswerte resultieren aus insgesamt 3 Bereichen:
    - elastische Dehnung (Zahlen 0,05 mm), werden am Schluss abgezogen da sich die Probe nach dem Bruch um diesen Teil zusammenzieht
    - plastische Dehnung im gesamten parallelen Bereich Lc (Gleichmaßdehnung Ag bis Fm)
    - Fließdehnung im Bereich der Einschnürung - die Verlängerung erfolgt nur noch im Fließbereich

    Nur die Zahlen im Lo-Bereich dürfen in die Bruchdehnungs-Berechnung einfließen!

    Berechnung der Bruchdehnung

    Aus unserer Erfahrung wissen wir, dass die Berechnung der Dehnung (Fließverhalten) von Metallen / einer Zugprobe der am schwierigsten zu erklärende Kennwerte ist. Metalle weisen nämlich eine Besonderheit bei der Dehnung auf. Ein jeder von uns hat schon einmal beobachtet, wie Metall in eine bleibende Verformung gebracht wird: Biegt man ein Blech nur ein wenig so federt dieses wieder zurück in die Ausgangsform (Elastizitäts-Verhalten). Biegt man aber immer weiter so ist irgendwann der Punkt erreicht bei dem dieses Stück Metall gekrümmt bleibt: Es ist bleibend verformt. Ähnlich dem elastischen / plastischen Biegen eines Stahls verhält sich dieser auch unter Zugbelastung. Verlängert man diesen Stahl nur gering so zieht sich dieser wieder zusammen (ähnlich Gummi). Erst wenn man die Schädigungsgrenze überschreitet verlängert sich der Stahl bleibend. Für bestimmte Aufgaben ist es in der Industrie wichtig das Dehnverhalten eines Metalls exakt zu bestimmen. Denn nur wenn man das Umformverhalten (Dehnfähigkeit) exakt kennt kann man sicherstellen, dass das Metall in die gewünschte Form gebracht werden kann ohne dass eine zu große Schädigung (vorzeitiger Bruch) erfolgt. Logisch wird dies wenn man einmal nachvollzieht, dass aus einer planen Blechplatte durch extreme Umformung ein Kochtopf entsteht - ein Tiefziehvorgang mit extremen Dehnungen.

    Metall dehnt sich bis zum Bruch aber nicht an allen Stellen gleichmäßig. Sobald die Gleichmaßdehnung beim Kraftmaximum überschritten ist fließt das Material an der schwächsten Stelle immer extremer (und nur noch dort), schnürt sich ein (Taillenbildung) und bricht dort. Da das Fließverhalten des Metalls nicht an allen Stellen gleich ist muss also eine Systematik gefunden werden um die Dehnung vergleichbar bestimmen zu können. Daher wird die Dehnung A (Bruchdehnung) ausschließlich auf eine exakt definierte, aber variable Stecke bezogen. Dieses Bezugsmaß (Länge null - kurz L0) wird als Grundlage der Berechnung herangezogen und mit der Formel  berechnet.

    Hinweis: Die Dehnung kann nicht direkt miteinander Verglichen werden. Eine Dehnung A (A5,65) unterscheidet sich von einer Dehnung A80 / A11,3 / A50 / A100 / A200 erheblich. Zum Vergleich der Dehnungen kann man diese Umrechnen.

    A         Bruchdehnung (in %)
    L0       Anfangsmesslänge der Probe (Ausgangslänge)
    Lu       Länge nach dem Bruch (beinhaltet Anfangsmesslänge L0 und die Verlängerung dieses Teils)

    Formel zur Berechnung der Bruchdehnung A für einen Zugversuch
    (Anmerkung: Wird der Kurzbuchstabe A ohne Index verwendet handelt es sich um die Dehnung A5,65)

    Formel:                     A = ((Lu – L0)/L0)x 100 bzw.:

     


     

     

    Begriffserklärung der Zugprüfung bei Metallen

     

     

     Kurzzeichen

     Einheit

     Benennung / vereinfachte Erklärung

     

     a0

     mm

     Anfangsdicke einer Flachprobe oder Wanddicke eines Rohres zu Beginn des Zugversuchs

     

     b0

     mm

     Breite einer Flachprobe in der Versuchslänge | mittlere Breite einer Rohrstreifenprobe | Profildraht zu Beginn des Zugversuchs

     

     D0

     mm

     Außendurchmesser eines Rohres

     

     L0

     mm

     Ausgangsmesslänge (Bezugslänge bzw. Anfanglänge für die Dehnung)

     

     LC

     mm

     Versuchslänge (paralleler Teil der Messlänge zwischen den Radien)

     

     Lt

     mm

     Gesamtlänge der Probe einschließlich Köpfen

     

     LU

     mm

     Messlänge nach dem Bruch (L0 gedehnt)

     

     S0

     mm²

    Anfangsquerschnitt der Probe: Dicke x Breite | Durchmesser | Rohrdurchmesser x Wandstärke | Gewichtsmethode: Gewicht / Länge / Dichte

     

     SU

     mm²

     kleinster Querschnitt nach dem Bruch (zur Berechnung der Einschnürung - Fließverhalten / Dehnungsverhalten im Querschnitt )

     

     K

     -

     Proportionalitätsfaktor - Verhältnis des Querschnitts zu L0 (5,65 oder 11,3)

     

     Z

     %

     Brucheinschnürung - Verhältnis zwischen S0 und S(Berechnung der Einschnürung - Fließverhalten / Dehnungsverhalten im Querschnitt

     

     R (σ)

     MPa

     Spannung - Kraft geteilt durch den Anfangsprobenquerschnitt

     

     A

     %

     Bruchdehnung - Verlängerung der Probe bezogen auf die Ausgangsmesslänge L0 (ohne Index = Dehnung A5,65)
     Anmerkung: Dehnungswerte sind miteinander nicht direkt vergleichbar - bitte nutzen Sie zur Umrechnung unseren Kalkulator.

     

     At

     %

     wie A, jedoch beinhaltet dieser Wert auch die (totale) Dehnung inkl. elastischer Anteil

     

     Ag

     %

     Gleichmaßdehnung: Die Dehnung von Metallen erfolgt bis zum Kraftmaximum (Fm Force Maximum) bzw. Spannungs-Maximum (Rm)
     gleichmäßig im gesamten parallelen Bereich Lc / LV der Probe. Ab dort erfolgt die Dehnung nur noch im Bereich der Einschnürung. Die
     Gleichmaßdehnung ist für die Umformbarkeit (insbesondere beim Tiefziehen) eine sehr wichtige Aussage um zu entscheiden welche Dehnung
     einem Material abverlangt werden kann (aus einer Scheibe einen Kochtopf formen). Die Gleichmaßdehnung kann nur mit einem Langweg-
     Extensometer ermittelt werden der bis nach Ag (Rm) und darüber hinaus  an der Probe verbleibt.
     Der Dehnungswert Ag beinhaltet keine elastische Dehnung - diese wird (anders als bei Agt) in Abzug gebracht.

       

     Agt

     %

     wie Ag, jedoch beinhaltet dieser Wert die elastische Dehnung

     

     A5,65

     %

     typischer Proportionalitätsfaktor zur Berechnung des L0 (nicht für Flachproben Dicke <3,0 mm | Drähte Ø <4 mm anwendbar)
     Anmerkung: Dehnungswerte sind miteinander nicht direkt vergleichbar - bitte nutzen Sie zur Umrechnung unseren Kalkulator.

     

     A11,3

     %

     Proportionalitätsfaktor zur Berechnung des L0 (nicht für Flachzugproben Dicke <3,0 mm | Drähte Ø <4 mm anwendbar)
     Anmerkung: Dehnungswerte sind miteinander nicht direkt vergleichbar - bitte nutzen Sie zur Umrechnung unseren Kalkulator.
     

     A50

     %

     Bruchdehnung von Flachzugproben aus Blech mit einer Dicke 0,1 - 3,0 mm (üblichste Probenform bei NE- Metalle wie Alu, Kupfer etc
     für die Messung der nichtproportionalen Dehnung bei Proben unter <3.0 mm Dicke.
     Anmerkung: Dehnungswerte sind miteinander nicht direkt vergleichbar - bitte nutzen Sie zur Umrechnung unseren Kalkulator.

     

     A80

     %

     Bruchdehnung von Flachzugproben aus Blech mit einer Dicke 0.1 -  3.0 mm (üblichste Probenform bei Stahl-Flachzugproben
     für die Messung u. a. der nicht proportionalen Dehnung. Steht nur wenig Material zur Verfügung, kann aber auch
     die Probenform A50 gewählt werden.
     Anmerkung: Dehnungswerte sind miteinander nicht direkt vergleichbar - Bitte nutzen Sie zur Umrechnung unseren Kalkulator.

     

     A100
     A200

     %

     Bruchdehnung von Drähten: Bei Drähten erfolgt der Bruch oft an undefinierter Stelle. Würde man eine A5,65 Dehnung
     messen so erfolgt die Dehnung / der Bruch oft außerhalb der Schneiden des Extensometers. Man setzt also das L0 und
     den Schneidenabstand auf 100 bzw. 200 mm und ermittelt so die Dehnung A100 / A200. Bei dieser Distanz ist die Chance hoch,
     dass der Bruch  innerhalb der Schneiden erfolgt.
     Anmerkung: Dehnungswerte sind miteinander nicht direkt vergleichbar - Bitte nutzen Sie zur Umrechnung unseren Kalkulator.

     

     

     


     

     

    Prüfbericht (Prüfzeugnis)

    Inhaltliche Wiedergabe der ISO 6892-1 in Bezug auf einen Prüfbericht (siehe auch die weiter unten: PDF-Download Prüfbericht)

    Die ISO 6892-1 aus 2017-02 schreibt vor das der Prüfbericht folgende Informationen enthalten muss (Ausnahme: Die Parteien vereinbaren etwas anderes)

    1. Hinweis auf die Norm ISO 6892
         und die Prüfgeschwindigkeit - hier: A224
     

    A2XX = 0.00025 mm/mm/Sekunde (Führungsgröße Extensometer)
    AX2X = 0.00025 mm/mm/Sekunde (Führungsgröße Traversenweg bezogen auf Lc)
    AXX4 = 0.0067 mm/mm/Sekunde (Führungsgröße Traversenweg bezogen auf Lc)

    2. Kennzeichnung der Probe

    Probennummer für Rückführbarkeit

    3. Werkstoff, falls bekannt

    ST370 - Baustahl

    4. Art der Probe

    Flachprobe

    5. Probenlage und -richtung

    Entnahme: 50 mm von der Bandkante. Querprobe

    6. Regelungsarten des Versuchs und Prüfgeschwindigkeiten

    nur falls Abweichen, siehe auch 1.

    7. Prüfergebnisse

    Reh, Rp0,2, Rm, Ag, A80 (E-Modul ist KEIN Ergebnis nach ISO6892-1 dient aber als Gutbefund der Versuche
    Werte gerundet
    R-Werte ohne Nachkommastelle auf nächste ganze Zahl
    A-Werte mit Rundung auf 0,5%
    Z-Brucheinschnürung auf 1% gerundet (falls relevant)