Alternative: Dehngrenze, Zugfestigkeit und Bruchdehnung: Unterschied zwischen den Versionen

Aktuelle Version vom 20. März 2023, 06:37 Uhr

Zugprüfmaschine

Zugversuch mit einer Zugprüfmaschine

Die Dehngrenze, Zugfestigkeit und Bruchdehnung wird durch einen Zugversuch ermittelt (siehe Abbildung rechts). Dabei wird ein genormter Probekörper (Grün) aus einer Legierung durch die Zugprüfmaschine auseinander gezogen (gedehnt) bis der Probekörper reißt.

Die Zugkraft ist die Kraft, die den Körper auseinander zieht.

Die Kraft verteilt sich dabei auf den Durchmesser (Querschnitt) des Probekörpers. Diesen Vorgang nennt man auch Zugspannung.

Die Zugspannung ist die Zugkraft / Querschnittsfläche.

Bei steigender Zugspannung wird der Probekörper auseinander gezogen. Dies nennt man Dehnung.

Querschnittsfläche (Blau) senkrecht zur Zugkraft (Rot)

Die Dehnung ist die Längenänderung / Ursprungslänge.

Die Zugprüfmaschine gibt auf einem Computer ein Spannungs-Dehnungs-Diagramm aus.

Spannungs-Dehnungs-Diagramm

Das Spannungs-Dehnungs-Diagramm (siehe Abbildung rechts) ist das Ergebnis eines Zugversuchs. Auf der Y-Achse wird die Zugspannung (Zugkraft/Fläche) angegeben. Umso höher (Y-Achse) ein Punkt im Diagramm ist, umso mehr Zugspannung wirkt also. Auf der X-Achse wird die Dehnung ε (Längenänderung/Ursprungslänge) angegeben. Umso weiter rechts (X-Achse) ein Punkt auf dem Diagramm ist, umso höher ist die Dehnung.

Von Links nach rechts (siehe Abbildung rechts) lässt sich das Spannungs-Dehnungs-Digramm dabei wie folgt beschreiben:

1: Probekörper in Ursprungslänge ohne Spannung und Dehnung.

2: Am Anfang verlängert sich der Probenkörper elastisch. Dass heißt er verlängert sich (weiter rechts im Diagramm) bei höherer Zugspannung (weiter oben im Diagramm). Da die Dehnung elastisch ist, geht der Stab aber wieder in seine ursprüngliche Länge zurück.

Elastische Verformung bedeutet, dass ein Material nach einer Verformung in seine ursprüngliche Form und Größe zurückkehrt.

3: Im nächsten Bereich steigt die Zugkraft weiter (weiter nach oben im Diagramm) und dehnt sich (weiter nach rechts im Diagramm). In dieser Phase verformt sich der Probenkörper plastisch. Diese Verformung ist bleibend.

Plastische Verformung bedeutet, dass sich das Material dauerhaft verformt.

Bei 0,2 % plastischer Verformung, also fast direkt nach dem Start der platischen Verformung, liegt die 0,2 % Dehngrenze. Man nimmt an, dass bis zu diesem Wert die Legierung belastet werden darf, ohne das die Funktion beeinträchtigt wird.

Die 0,2 % Dehngrenze gibt an, bis zu welcher Zugspannung eine Legierung ohne Probleme belastet werden kann.

4. Wenn die Spannung im Diagramm den höchsten Punkt erreicht hat fängt die Einschnürung an. Dabei wird der Probenkörper weiterhin platisch Verformt. Zusätzlich wird ein Bereich des Probenkörpers verengt. Das heißt, der Durchmesser (Querschnitt) wird kleiner (s. Abbildung rechts) und der Stab dehnt sich weiter aus.

Einschnürung bedeutet, dass der Probenkörper sich verengt. Man kann auch sagen, der Probenkörper wird im Querschnitt kleiner.

Der höchste Punkt ist auch der Punkt mit der höchsten Spannung. Er gibt die Zugfestigkeit einer Legierung an. Er ist wichtig, da viele Stoffe maximal bis zu diesem Punkt Belastet werden dürfen. Viele spröde Werkstoffe wie Keramik brechen bei erreichen der Zugfestigkeit. Verformbarere Werkstoffe wie CoCrMo erleben eine Einschnürung.

Zugfestigkeit ist die höchste Spannung die ein Werkstoff aufnehmen kann ohne sich einzuschnüren oder zu brechen.

5. Die Einschnürung geht soweit, bis der Probenkörper bricht. Diesen Dehnung bis zur Bruch nennt man Bruchdehnung.

Die Bruchdehnung ist die Dehnung (abzüglich der elastischen Verformung), bei der die Probe zerbrochen ist. Sie ist am Ende der Kurve ablesbar. Bei dieser Dehnung zerbricht der Werkstoff!

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+[[Szenario Dehngrenze, Zugfestigkeit und Bruchdehnung | Link zur übergeordneten Seite]]
+== Zugprüfmaschine ==
+[[File:Zugversuch_Aufbau.png|thumb|right|200px| Zugversuch mit einer Zugprüfmaschine]]
---- Bild/Gif Chronologischer Ablauf Zugversuch ---
+Die Dehngrenze, Zugfestigkeit und Bruchdehnung wird durch einen Zugversuch ermittelt (siehe Abbildung rechts). Dabei wird ein genormter Probekörper (Grün) aus einer Legierung durch die Zugprüfmaschine auseinander gezogen (gedehnt) bis der Probekörper reißt.
---- Dehnung ---> Einschnürung ---> Bruch ---
+ Die '''Zugkraft''' ist die Kraft, die den Körper auseinander zieht.
-Zugkräfte, Zugspannungen, Dehnung
+Die Kraft verteilt sich dabei auf den Durchmesser (Querschnitt) des Probekörpers. Diesen Vorgang nennt man auch Zugspannung.
---- Bild Atome die sich dehnen ---
+ Die '''Zugspannung''' ist die Zugkraft / Querschnittsfläche.
-Gegenteil:
+Bei steigender Zugspannung wird der Probekörper auseinander gezogen. Dies nennt man Dehnung.
+[[Datei:Querschnittsfläche.png|mini|200x200px|Querschnittsfläche (Blau) senkrecht zur Zugkraft (Rot)]]
+ Die '''Dehnung''' ist die Längenänderung / Ursprungslänge.
-Druckkräfte, Druckspannungen, Stauchung
+Die Zugprüfmaschine gibt auf einem Computer ein Spannungs-Dehnungs-Diagramm aus.
---- Bild Atome die sich stauchen ---
+==Spannungs-Dehnungs-Diagramm==
+[[File:Zugversuch_Spannungs_Dehnungs_Diagramm.png|thumb|right|200px| Spannungs-Dehnungs-Diagramm]]
-Spannungs-Dehnungsdiagramm
+Das Spannungs-Dehnungs-Diagramm (siehe Abbildung rechts) ist das Ergebnis eines Zugversuchs.
+Auf der Y-Achse wird die Zugspannung (Zugkraft/Fläche) angegeben. Umso höher (Y-Achse) ein Punkt im Diagramm ist, umso mehr Zugspannung wirkt also.
+Auf der X-Achse wird die Dehnung ε (Längenänderung/Ursprungslänge) angegeben. Umso weiter rechts (X-Achse) ein Punkt auf dem Diagramm ist, umso höher ist die Dehnung.
-Du findest in den Legierungstabellen die Werkstoffwerte 0,2%-Dehngrenze, Zugfestigkeit, Bruchdehnung und Elastizitäts-Modul. Sie geben dir Auskunft über die pysikalischen Eigenschaften der Legierung. Diese Eigenschaften bestimmen z.B. den Indikationsbereich der jeweiligen Legierung.
+Von Links nach rechts (siehe Abbildung rechts) lässt sich das Spannungs-Dehnungs-Digramm dabei wie folgt beschreiben:
-[[Bild:Spannungs_dehnungs_diagramm.png|250px|right]]Die Werkstoffwerte werden von den Legierungsherstellern im Werkstoffprüflabor mit Hilfe des Zugversuchs ermittelt. Dabei wird ein runder Probenstab mit Hilfe einer Zerreissmaschine mit gleichmäßig ansteigender Kraft bis zum Bruch auf Zug belastet (verlängert). Du findest das mal für eine Goldgusslegierung und eine Modellgusslegierung in der folgenden Animation. Als Ergebnis des [http://de.wikipedia.org/wiki/Zugversuch Zugversuch]s erhältst du ein sogenanntes [http://de.wikipedia.org/wiki/Spannungs-Dehnungs-Diagramm Spannungs-Dehnungs-Diagramm].
+: Probekörper in Ursprungslänge ohne Spannung und Dehnung.
+: Am Anfang verlängert sich der Probenkörper elastisch. Dass heißt er verlängert sich (weiter rechts im Diagramm) bei höherer Zugspannung (weiter oben im Diagramm). Da die Dehnung elastisch ist, geht der Stab aber wieder in seine ursprüngliche Länge zurück.
+ '''Elastische Verformung''' bedeutet, dass ein Material nach einer Verformung in seine ursprüngliche Form und Größe zurückkehrt.
-Aus diesem Diagramm sind die Werkstoffkenndaten mehr oder weniger direkt ablesbar:
+: Im nächsten Bereich steigt die Zugkraft weiter (weiter nach oben im Diagramm) und dehnt sich (weiter nach rechts im Diagramm). In dieser Phase verformt sich der Probenkörper plastisch. Diese Verformung ist bleibend.
-*Die '''0,2%-Dehngrenze''' ist die Stelle, an der eine plastische (bleibende) Verformung von 0,2% auftritt. Das ist fast genau die Stelle, an der die Kurve anfängt, von ihrem linearen (geraden) Verlauf abzuweichen. Bis zu dieser Stelle liegt eine rein elastische Verformung vor. Bis zu dieser Spannung ist der Probenwerkstoff belastbar, ohne bleibend (genauer: mehr als 0,2%) verformt zu werden!
+ '''Plastische Verformung''' bedeutet, dass sich das Material dauerhaft verformt.
-*Der '''E(lastizitäts)-Modul''' ist ein rein theoretischer Wert. Würde man die Gerade der elastischen Verformung nach oben Verlängern, bis eine Dehnung von 100% ablesbar wäre (Verdoppelung der Probenlänge) kann an dieser Stelle die Spannung abgelesen werden, die dafür theoretisch nötig wäre. Praktisch wäre die Probe längst zerbrochen. Der E-Modul ist ein Maß für die Kraft, die zur elastischen Verformung eines Werkstoffs aufgebracht werden muss.
-*Die '''Zugfestigkeit''' ist die maximale, während des Versuchs aufgetretene Zugspannung. Sie ist an der höchsten Stelle der Kurve ablesbar. Ab dieser Spannung fängt der Probenstab an, sich einzuschnüren (schmaler zu werden).
-*Die '''Bruchdehnung''' ist die Dehnung (abzüglich der elastischen Verformung), bei der die Probe zerbrochen ist. Sie ist am Ende der Kurve ablesbar. Bei dieser Dehnung zerbricht der Werkstoff!
+Bei 0,2 % plastischer Verformung, also fast direkt nach dem Start der platischen Verformung, liegt die '''0,2 % Dehngrenze'''. Man nimmt an, dass bis zu diesem Wert die Legierung belastet werden darf, ohne das die Funktion beeinträchtigt wird.
+ Die '''0,2 % Dehngrenze''' gibt an, bis zu welcher Zugspannung eine Legierung ohne Probleme belastet werden kann.
-{{Auftrag_Lernwerkstatt_Metalle|
+. Wenn die Spannung im Diagramm den höchsten Punkt erreicht hat fängt die Einschnürung an. Dabei wird der Probenkörper weiterhin platisch Verformt. Zusätzlich wird ein Bereich des Probenkörpers verengt. Das heißt, der Durchmesser (Querschnitt) wird kleiner (s. Abbildung rechts) und der Stab dehnt sich weiter aus.
-'''Aufgabe'''
-Führe selbst einen Zugversuch durch. Teste mit Hilfe der Federwaage eine Probe aus Bastlerlot bis zum Bruch. Erstelle vom Versuch ein Video, mit dessen Hilfe du anschließend aus den beobachteten Werten das [http://de.wikipedia.org/wiki/Spannungs-Dehnungs-Diagramm Spannungs-Dehnungs-Diagramm] berechnen zeichnen sollst.  Ermittle durch Ablesen die (0,2%-)Dehngrenze, die max. Zugspannung, die Bruchdehnung und den E-Modul des Probenwerkstoffs. Dokumentiere deine Vorgehensweise sorgfältig.
+  '''Einschnürung''' bedeutet, dass der Probenkörper sich verengt. Man kann auch sagen, der Probenkörper wird im Querschnitt kleiner.
-Das folgende Lernvideo enthält zusätzliche Erläuterungen. Zusätzlich wird der beschriebene Versuch gezeigt. Du kannst das Video verwenden, falls du den Versuch nicht selbst durchführen kannst.
+Der höchste Punkt ist auch der Punkt mit der höchsten Spannung. Er gibt die Zugfestigkeit einer Legierung an. Er ist wichtig, da viele Stoffe maximal bis zu diesem Punkt Belastet werden dürfen. Viele spröde Werkstoffe wie Keramik brechen bei erreichen der Zugfestigkeit. Verformbarere Werkstoffe wie CoCrMo erleben eine Einschnürung.
+ '''Zugfestigkeit''' ist die höchste Spannung die ein Werkstoff aufnehmen kann ohne sich einzuschnüren oder zu brechen.
-Lernvideo zum Zugversuch:
+. Die Einschnürung geht soweit, bis der Probenkörper bricht. Diesen Dehnung bis zur Bruch nennt man Bruchdehnung.
-<html><video controls="controls" width="320"><source src="http://www.martinalensing.de/videos_wikidental/lf8/zugversuch_i720.mp4" type="video/mp4" />Sorry, dein Browser unterstützt eingebettete Videos nicht. Du kannst das Video <a href="http://www.martinalensing.de/videos_wikidental/lf8/zugversuch_i720.mp4">hier</a> herunterladen und mit einem Player deiner Wahl abspielen.</video></html>
+ Die '''Bruchdehnung''' ist die Dehnung (abzüglich der elastischen Verformung), bei der die Probe zerbrochen ist. Sie ist am Ende der Kurve ablesbar. Bei dieser Dehnung zerbricht der Werkstoff!
-<gallery>
-Bild:Probenwerkstoff_zugversuch.jpg|Probenwerkstoff
-Bild:Zugversuch_aufbau.jpg|Versuchsaufbau
-Bild:Zugversuch_material.jpg|Benötigtes Versuchsmaterial
-</gallery>
-}}
-{{Auftrag_Lernwerkstatt_Metalle|
-'''Zusätzliche Aufgabe auf Level 4'''
-Du hast eine Brückengerüst aus Herador C (E-Modul 89 000 N/mm2) zur Keramikverblendung hergestellt. Von diesem Gerüst ist laut Aussage des Zahnarztes bei Kaubelastung die Keramik abgeplatzt. Der Arzt behauptet, die Verbindung zwischen den Brückengleidern wäre zu dünn und die Brücke würde sich unter Kaubelastung zu stark verformen. Du hast ihn aber in Verdacht, dass er die Brücke vor dem Einsetzen hat fallen lassen. Nun musst du beweisen, dass die Verbindungen an deiner Brücke den Kaubelastungen stand halten!
-[[Bild:Bruecke_zugversuch.png|250px|right]]Berechne die Durchbiegung (f) in der Brücke bei einer max. Kaubelastung (F) von 800N, dem Durchmesser der Verbindungen an deiner Brücke (d), der Spannweite der Brücke (l) und dem E-Modul der Legierung (E) mit Hilfe dieser Formel,
-<html><img src="http://latex.codecogs.com/gif.latex?f&space;=\frac&space;{F&space;\cdot&space;l^3}{192&space;\cdot&space;E&space;\cdot&space;I}" title="f =\frac {F \cdot l^3}{192 \cdot E \cdot I}" /></html>
-wobei sich der Flächenträgheitsmoment (I) aus
-<html><img src="http://latex.codecogs.com/gif.latex?I&space;=\frac&space;{\pi&space;\cdot&space;d^4}{64}" title="I =\frac {\pi \cdot d^4}{64}" /></html>
-ergibt. (Die Formeln sind dem ''Tabellenbuch Metall, Europa-Lehrmittel-Verlag, Haan 1999'' entnommen).
-Die Durchbiegung der Brücke darf höchstens 0,05mm betragen, ansonsten wäre die Keramik tatsächlich gefährdet!
-}}