Was ist die maximale Zugfestigkeit?

Einführung

Festigkeit ist eine der grundlegenden Materialeigenschaften und bezeichnet üblicherweise die Fähigkeit eines Materials, Verformungen oder Brüchen unter äußerer Krafteinwirkung zu widerstehen. Es gibt viele Arten von äußeren Kräften, wie beispielsweise Zug- und Druckkräfte. Entsprechend weisen Materialien auch Zugfestigkeit, Streckgrenze, Druckfestigkeit und weitere Eigenschaften auf. In Anwendungsbereichen wie der mechanischen Fertigung, dem Ingenieurbau und dem Brückenbau ist die Zugfestigkeit ein wichtiger Indikator, der von Forschern, Ingenieuren und Qualitätssicherungsteams zur Bewertung der mechanischen Eigenschaften von Materialien und Produkten herangezogen wird.

In diesem Artikel führt HYT Sie in das Konzept, die Berechnungsmethode, die Anwendung und viele weitere Aspekte der Zugfestigkeit ein. HYT kombiniert dabei allgemeinverständliche und wissenschaftlich fundierte Erklärungen, um auch Neueinsteigern in der Werkstoffindustrie das nötige Wissen zu vermitteln.

Am Ende des Artikels befindet sich eine Tabelle mit der Zugfestigkeit und der maximalen Zugfestigkeit gängiger Werkstoffe.

Was ist die maximale Zugfestigkeit?

Im Alltag hat wohl jeder schon einmal versucht, ein Gummiband mit den Händen zu zerreißen. Nachdem wir genügend Zugkraft ausgeübt hatten, riss es in zwei Teile. Das liegt daran, dass die Zugkraft die Belastbarkeit des Gummibandes überstieg und es schließlich zum Reißen brachte. Dieses Phänomen zeigt, dass die Spannung beim Dehnen die Zugfestigkeit des Gummibandes übersteigt und es dadurch bricht. Die Zugfestigkeit (auch: maximale Zugfestigkeit) bezeichnet daher die maximale Spannung, die ein Material beim Dehnen aushält, bevor es reißt.

Duktile Werkstoffe und spröde Werkstoffe

Bevor wir die verschiedenen Arten der Zugfestigkeit besprechen, müssen wir zwei Konzepte erläutern., duktile Werkstoffe Und spröde Materialien.

Duktile Werkstoffe besitzen eine ausgeprägte Streckgrenze. Sobald diese erreicht ist, geht das Verformungsverhalten von elastisch zu plastisch über. Nach Erreichen der Zugfestigkeit verformen sie sich weiter, wobei es zur Einschnürung kommt. Metalle wie Stahl, Aluminiumlegierungen und Kupfer zählen zu den duktilen Werkstoffen.

Spröde Werkstoffe besitzen keine eindeutige Streckgrenze. Sie verformen sich unter Zugbeanspruchung nicht und zeigen keine plastische Verformung. Nach Erreichen der Zugfestigkeit brechen sie direkt, und die Bruchfläche ist in der Regel körnig. Zu dieser Kategorie gehören Werkstoffe wie Keramik, Glas und einige hochfeste legierte Stähle.

Zugfestigkeitsarten

Materialien durchlaufen mehrere Verformungsstadien, bevor sie brechen. Jedes Verformungsstadium ist mit unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften verbunden, sodass sich verschiedene Arten von Zugfestigkeit messen lassen. Metallische Werkstoffe sind duktil, ihre Verformungsänderungen vor dem Bruch sind jedoch nicht sehr ausgeprägt. Zur besseren Veranschaulichung verwenden wir Gummibänder mit ihren großen Verformungsänderungen als Beispiel, um die verschiedenen Arten von Zugfestigkeit zu verdeutlichen, und zeigen die Veränderungen von Metallen in den entsprechenden Stadien.

Stufe 1: Proportionalbegrenzung

Beim ersten Dehnen eines Gummibandes ist die Spannung relativ gering. In diesem Moment ist die Spannung proportional zur tatsächlichen Dehnung. Vereinfacht gesagt: Je größer die Kraft, desto länger das Gummiband. Anders ausgedrückt: Die Spannungs-Dehnungs-Kurve des Gummibandes verläuft innerhalb eines bestimmten Bereichs annähernd linear (gemäß dem Hookeschen Gesetz), das heißt, Spannung und Dehnung sind proportional. Lässt man das Gummiband los, kann es sich wieder dehnen. vollständig in seinen Originalzustand zurückversetzt. In dieser Phase durchläuft das Material folgende Prozesse: elastische Verformung, und die Verformung des Gummibandes ist reversibel.

Bei metallischen Werkstoffen gilt innerhalb der Proportionalitätsgrenze das Hookesche Gesetz, und ihre Spannungs-Dehnungs-Kurve verläuft linear. Das Metall erfährt in diesem Bereich ausschließlich elastische Verformung und kehrt nach Wegfall der einwirkenden Kraft in seinen ursprünglichen Zustand zurück.

Stufe 2: Streckgrenze

Wir erhöhen weiterhin die Kraft, um das Gummiband zu dehnen, und stellen fest, dass es, sobald es ausreichend gedehnt ist, selbst nach dem Loslassen nicht mehr in seine ursprüngliche Länge zurückkehrt und dauerhaft länger wird. Das bedeutet, dass das Gummiband eine Dehnung erfahren hat. plastische Verformung und hat eine bleibende Verformung hervorgerufen. Wenn wir jedes Mal eine größere Kraft als zuvor anwenden, wird das Gummiband selbst noch mehr Verformungen verursachen. irreversibel sich verformt und immer länger wird.

Bei metallischen Werkstoffen entspricht dieser Zustand der Streckgrenze. Wir können den minimalen Spannungswert ermitteln, ab dem das Material von elastischer in plastische Verformung übergeht. Metalle weisen im Allgemeinen eine deutliche Streckgrenze auf, und sobald diese überschritten ist, kann das Material selbst nach Wegfall der äußeren Kraft nicht mehr in seinen ursprünglichen Zustand zurückkehren.

Stufe 3: Maximale Zugfestigkeit

Als Nächstes erhöhen wir die Spannung des Gummibandes weiter und stellen fest, dass sich das Material stellenweise verdünnt. Dieses Phänomen deutet darauf hin, dass das Gummiband die maximale Belastbarkeit beim Dehnen erreicht hat. An diesem Punkt können wir auch die Zugfestigkeit messen.

Bei metallischen Werkstoffen stellt die Zugfestigkeit (UTS) die maximale Spannung dar, die das Metall aushalten kann. Nach Erreichen der Zugfestigkeit tritt Einschnürung ein, d. h. ein bestimmter Bereich des Materials verjüngt sich und bildet den Ausgangspunkt für einen Bruch. Obwohl der Werkstoff zu diesem Zeitpunkt noch nicht vollständig gebrochen ist und die Verformung weiter fortschreitet, nimmt seine Tragfähigkeit bereits ab.

Stadium 4: Bruchfestigkeit

Erhöht man die Kraft weiter, reißt das Gummiband schließlich, da es der größeren Zugkraft nicht standhalten kann. Der Spannungswert zum Zeitpunkt des Bruchs ist die Bruchfestigkeit, die wir messen wollen.

Bei metallischen Werkstoffen bezeichnet die Bruchfestigkeit die Spannung, der das Material im Moment des Bruchs standhält. Bei spröden Werkstoffen liegt die Bruchfestigkeit im Wesentlichen nahe an der Zugfestigkeit (UTS). Bei duktilen Werkstoffen ist die Bruchfestigkeit aufgrund der Einschnürung häufig geringer als die Zugfestigkeit.

Ermüdungsfestigkeit und Ausdauergrenze

Zusätzlich zu den oben genannten vier Zugfestigkeiten gibt es auch die Dauerfestigkeit und die Dauerfestigkeitsgrenze.

Beide Begriffe beschreiben die maximale Spannung, die ein Werkstoff unter zyklischer Belastung aushält. Der Unterschied besteht darin, dass die Dauerfestigkeit die maximale Spannung angibt, bei der ein Werkstoff nicht ermüdet. unter einer gegebenen Anzahl von Zyklen, Die Dauerfestigkeit nimmt mit zunehmender Anzahl der Lastwechsel ab; die Dauerfestigkeitsgrenze gibt die maximale Spannung an, bei der kein Ermüdungsbruch auftritt. unter einer unendlichen Anzahl zyklischer Belastungen, Die Dauerfestigkeitsgrenze wird daher auch als Ermüdungsgrenze bezeichnet.

Aus dem SN-Kurvendiagramm geht hervor, dass sich die Dauerfestigkeit bei einem Werkstoff mit Dauerfestigkeit mit zunehmender Lastwechselzahl einem stabilen Wert annähert. Besitzt der Werkstoff hingegen keine Dauerfestigkeit, nimmt die Dauerfestigkeit mit steigender Lastwechselzahl kontinuierlich ab.

Wie man die Zugfestigkeit berechnet und misst

Berechnungsformel für UTS

Im vorherigen Artikel haben wir erklärt, dass die Zugfestigkeit (UTS) die maximale Zugspannung bezeichnet, die ein Material in einem Zugversuch aushalten kann. Daher lautet die Formel zur Berechnung der Zugfestigkeit:

Zugfestigkeit (σ) = maximale Zugkraft (F) / Querschnittsfläche der Probe (A)

Wo ist die maximale Zugkraft, bei der das Material im Zugversuch bricht (Einheit: N).

ist die ursprüngliche Querschnittsfläche des Materials (Einheit: mm²).

Im Internationalen Einheitensystem wird die Zugfestigkeit in Pascal oder Megapascal (MPa) angegeben, was Newton pro Quadratmeter (N/m²) entspricht.

Im amerikanischen Einheitensystem wird die Zugfestigkeit in Pfund pro Quadratzoll (lbf/in² oder psi) angegeben.

Im angloamerikanischen Maßsystem wird die Zugfestigkeit in Kilo Pfund pro Quadratzoll (ksi) angegeben.

Die Umrechnungsbeziehung zwischen ihnen ist

1 MPa = 1 N/mm² = 0,145 ksi = 145 psi

UTS-Messung

Die Zugfestigkeit von Metallwerkstoffen wird im Allgemeinen durch Zugversuche ermittelt, und die Zugfestigkeit von Werkstoffen wird gemäß internationalen Normen wie ASTM E8 und ISO 6892 gemessen.

Probenvorbereitung

Bereiten Sie Metallproben in Standardform gemäß der Prüfnorm vor, im Allgemeinen zylindrisch oder hantelförmig. Die Oberfläche der Metallprobe muss glatt und frei von Fehlern sein.

Geräteauswahl

Zugversuche werden im Allgemeinen mit einer Universalprüfmaschine (UTM) durchgeführt, die üblicherweise mit einem Hydrauliksystem ausgestattet ist, um sicherzustellen, dass die Maschine eine große Zugkraft aufbringen kann.

Testprozess

Zuerst wird die Metallprobe in die Vorrichtung der Prüfmaschine eingespannt und anschließend die Zugkraft entsprechend der in internationalen Normen wie ASTM E8 und ISO 6892 geforderten Dehnungsrate schrittweise aufgebracht. Mithilfe eines Extensometers oder Wegaufnehmers wird die Dehnungsänderung der Probe gemessen und gleichzeitig die aufgebrachte Kraft aufgezeichnet.

UTS bestimmen

Abschließend erhalten wir eine Kraft-Weg-Kurve. Mithilfe dieser Kurve können wir die Zugfestigkeitswerte des Materials in drei Phasen ermitteln: von der elastischen Verformung über die plastische Verformung bis hin zur endgültigen Fragmentierung.

Im untenstehenden Video des Zugversuchs an Edelstahl, erstellt von Solid Mechanics UCL MechEng, können Sie die Veränderung der Zugfestigkeit des Materials in drei Stufen beobachten.

Anhand dieses Videos können wir auch die vorherige Aussage bestätigen, dass duktile Werkstoffe wie Metalle eine klare Streckgrenze haben, d. h. die Spannung, bei der der Werkstoff beginnt, sich plastisch oder irreversibel zu verformen.

Warum Zugfestigkeit wichtig ist

Die Zugfestigkeit, insbesondere die Zugfestigkeit (UTS), ist von großer Bedeutung. Denn die Bestimmung des spezifischen UTS-Bereichs verschiedener Materialien hilft Ingenieuren dabei, festzustellen, ob das Material für bestimmte Anwendungen und Projekte geeignet ist.

Luft- und Raumfahrt

In der Luft- und Raumfahrtindustrie müssen Flugzeuge beim Flug in großen Höhen starken aerodynamischen Belastungen standhalten. Während des Fluges verursacht die ungleichmäßige Luftdruckverteilung auf der Flugzeugoberfläche Zugspannungen im Rumpf und in den Tragflächen. Zudem führen jegliche Rumpfbewegungen während des Fluges aufgrund von Zentrifugalkraft und dynamischen Belastungen zu Zugspannungen in den Strukturbauteilen. Die relativ niedrigen Temperaturen in großen Höhen können durch thermische Ausdehnung und Kontraktion innere Spannungen im Material hervorrufen, was die Zugspannungen zusätzlich verstärkt.

Deshalb verwenden wir häufig Titanlegierungen mit hoher Zugfestigkeit (Ti-6Al-4V) zur Herstellung von Produkten für die Luftfahrt, wie z. B. Flugzeugrumpfstrukturen, Fahrwerkskomponenten, Triebwerkschaufeln usw., die es dem Flugzeug ermöglichen, seine volle Leistung zu entfalten und gleichzeitig die Flugsicherheit zu gewährleisten;

Brückenbau

Brückenbau ist eine allgegenwärtige Anwendung in unserem Alltag. Brücken müssen täglich Verkehrslasten tragen, insbesondere solche mit sehr großen Spannweiten. Die Tragseile oder Schrägseile der Brücken sind ständig Zugkräften ausgesetzt. Gleichzeitig können manche Brücken aufgrund ihrer geografischen Lage über lange Zeiträume starken Winden oder sogar Erdbeben ausgesetzt sein. Diese äußeren Einflüsse führen zu Zugspannungen in der Brückenkonstruktion.

Deshalb verwenden wir häufig hochfeste legierte Stähle, wie zum Beispiel AISI 4140, zur Herstellung der Hauptkabel und Tragseile von Brücken, um die langfristige Stabilität und Sicherheit der Brücken zu gewährleisten.;

Automobilherstellung

Die Automobilindustrie ist ebenfalls ein Anwendungsgebiet für Werkstoffe mit hoher Zugfestigkeit. Während der Fahrt wirken auf Chassis und Rahmen Stoßkräfte vom Boden und periodische Zugkräfte ein; bei starkem Beschleunigen oder Bremsen entstehen in den Bauteilen Zugspannungen durch dynamische Belastungen.

Deshalb werden wir ultrahochfeste Stähle wie AHSS für die Herstellung von Automobilrahmen, B-Säulen und Türschwellerträgern verwenden und Aluminium 7075 für die Herstellung von Motorhalterungen und Aufhängungssystemen einsetzen, wodurch die Festigkeit und Stabilität der Karosseriestruktur gewährleistet und die Lebensdauer des Fahrzeugs verlängert werden kann.

Vorteile und Nachteile von hochfesten Werkstoffen

Nachdem im vorangegangenen Abschnitt die Anwendungsgebiete von Metallen mit höherer Zugfestigkeit erläutert wurden, wird deutlich, dass diese Metalle folgende Vorteile bieten:

1. Hohe Tragfähigkeit

Wolframlegierungen sind Metalle mit extrem hoher Zugfestigkeit und hoher Dichte und werden häufig in stark beanspruchten Bereichen eingesetzt, beispielsweise in Hochleistungswerkzeugen, panzerbrechenden Geschossen und Flugzeugtriebwerkskomponenten.;

2. Gute Haltbarkeit

Die Titanlegierung Ti-6Al-4V ist als Metall mit einem ausgezeichneten Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht, extrem hoher Korrosionsbeständigkeit und Zugfestigkeit anerkannt und wird in der Luft- und Raumfahrt sowie bei biomedizinischen Implantaten und anderen Anwendungen weit verbreitet eingesetzt;

3. Gute Schlagfestigkeit

17-4PH ist ein Edelstahlwerkstoff mit hoher Zugfestigkeit, der hohen Stoßbelastungen standhält, ohne zu brechen, und wird in Militärtechnik, tragenden Konstruktionen, Industrieanlagen und anderen Anwendungen eingesetzt;

4. Hohe Materialausnutzungseffizienz

AISI 4140 zeichnet sich durch hohe Zugfestigkeit aus. Bei gleichem Gewicht weist AISI 4140 eine höhere Steifigkeit als herkömmliche Metalle auf. Daher können Hochleistungs-Renn- und Motorradrahmen aus diesem Stahl vergleichsweise leichter und kompakter konstruiert werden. Durch die Reduzierung der Rahmenmasse und somit des Gesamtgewichts des Fahrzeugs lassen sich Kraftstoffverbrauch senken, die Belastung von Fahrwerk und Bremsanlage verringern und Lebensdauer sowie Fahrleistung verbessern.

Andererseits müssen wir aber auch die andere Seite der hochfesten Metallwerkstoffe betrachten.

1. Hohe Belastbarkeit, bedeutet aber auch, dass das Material spröde ist.

Obwohl Wolframlegierungen eine extrem hohe Zugfestigkeit aufweisen, besitzen sie eine geringe Zähigkeit und neigen zu Sprödbrüchen, weshalb sie für elastische Strukturen ungeeignet sind;

2. Gute Haltbarkeit, aber schwierig zu verarbeiten und hohe Verarbeitungskosten

Titanlegierungen weisen eine hohe Härte und Zugfestigkeit auf, weshalb spezielle Verarbeitungstechniken erforderlich sind und die Verarbeitungskosten und -schwierigkeiten wesentlich höher sind als bei Stahl.;

3. Gute Schlagfestigkeit, aber hohe Dichte und hohes Gewicht

Obwohl 17-4PH-Edelstahl eine hohe Festigkeit und ausgezeichnete Schlagzähigkeit aufweist, ist seine Dichte viel höher als die von Titanlegierungen, und er eignet sich nicht für Anwendungen, die ein geringes Gewicht erfordern.;

4. Hohe Materialausnutzungseffizienz, aber hohe Schweiß- und Umformkosten

Obwohl Chrom-Molybdän-Stahl eine höhere Festigkeit aufweist, die den Materialverbrauch und die Wartungshäufigkeit des Rahmens verringern kann, ist sein Material härter, und das anfängliche Schweißen und Biegen ist schwieriger, was direkt zu höheren Produktionskosten führt.

Zusammenfassung

Kurz gesagt, die Zugfestigkeit ist eine Schlüsseleigenschaft in der Materialwissenschaft. Sie gibt die maximale Spannung an, die ein Material vor dem Bruch aushält. Diese Eigenschaft ist auch für HYT ein wichtiger Indikator bei der Materialauswahl für Kundenprojekte. Stehen auch Sie vor der Herausforderung der Materialauswahl? Dann kontaktieren Sie bitte direkt das technische Team von HYT. Die Techniker von HYT finden für Sie die kostengünstigste Materiallösung, die Ihren Projektanforderungen optimal entspricht.

Zugfestigkeit und Bruchzugfestigkeit gängiger Werkstoffe

Die folgenden Werte stammen aus Wikipedia und dienen nur als Referenz.

Duktile Werkstoffe

Spröde Materialien

Referenz

Zugfestigkeit – Wiki