Das Spannungs-Dehnungs-Diagramm
Bei der Charakterisierung von Werkstoffen werden bei der Durchführung im Zugversuch zunächst die Messgrößen Kraft und Weg erfasst. Die Kraft F wird dabei von der Kraftmesszelle durch die zunehmende Belastung und der Weg als Längenänderung der Probe △L von einem Extensometer gemessen. Aus diesen Messgrößen ergibt sich zunächst das Kraft-Verlängerungs-Diagramm.
Bei unterschiedlichen Probendimensionen zeigt ein gleicher Werkstoff in diesem Diagramm jedoch unterschiedliche Kurvenverläufe (siehe Bild rechts). So würde beispielsweise eine Probe, welche den doppelten Querschnitt aufweist, auch die doppelte Kraftbelastung zum Bruch benötigen. Das gleiche gilt analog zur Probenlänge für die Dehnung.
Um einheitliche und reproduzierbare Kennwerte zu ermitteln, werden darum die Messgrößen auf die Probe bezogen. Das bedeutet, dass die Kraft auf den Probenquerschnitt S0 bezogen wird. Daraus ergibt sich die Spannung. Die Verlängerung der Probe bezieht sich demnach auf die Anfangsmesslänge der Probe L0, woraus sich die Dehnung ergibt.
Umrechnung der Werte für das Spannungs-Dehnungs-Diagramm
Berechnung von Spannung aus Kraft
σ = Spannung
F = Kraft
S0 = Anfangsquerschnittsfläche der Probe
Berechnung von Dehnung aus Verlängerung
ε = Dehnung
ΔL = Verlängerung der Probe
L0 = Anfangsmesslänge der Probe
Lu = Messlänge der Probe nach dem Bruch
Das resultierende Spannungs-Dehnungs-Diagramm hat nun unabhängig von der Probengeometrie für identische Werkstoffe mit gleichen Behandlungszuständen den gleichen Kurvenverlauf. Je nach Werkstoff unterscheidet man spezifische Kurvenverläufe. Das Spannungs-Dehnungs-Diagramm lässt sich in charakteristische Bereiche unterteilen, in denen jeweils signifikante Prozesse im Werkstoff stattfinden.
Der zu prüfende Werkstoff bestimmt die zu verwendende Prüfnorm, in deren die Prüfparameter wie z.B. Prüfgeschwindigkeiten spezifiziert sind. So gibt es beispielsweise nach DIN EN ISO 6892-1 – „Prüfverfahren für metallische Werkstoffe“ abhängig vom Prüfverfahren die Möglichkeit, den Zugversuch im elastischen Bereich spannungsgeregelt oder dehnungsgeregelt durchzuführen.
In der Industrie wird vorrangig die technische Spannung verwendet, welch sich immer auf den Querschnitt S0 am Anfang des Versuchs bezieht. Die wahre Spannung ist jedoch größer als die technische Spannung, da sich diese auf den wahren Querschnitt bezieht. Der Querschnitt der Probe ändert sich während des Versuchs im plastischen Bereich wie dem Gleichmaßdehnungsbereich und dem Einschnürungsbereich. Die korrekte Bestimmung des wahren Querschnitts ist aus der messtechnischen Perspektive eine Herausforderung.
Eine Möglichkeit zur Bestimmung der wahren Spannung ist die optische Vermessung der Probe mit mehreren Videoextensometern von Hegewald und Peschke mit Echtzeitauswertung.
Bereiche des Spannungs-Dehnungs-Diagramms
Das Spannungs-Dehnungs-Diagramm lässt sich in die folgenden Bereiche einteilen:
Hooke'scher Bereich
Bereich der elastischen Verformung. Die Verformung ist reversibel und das Material nimmt in diesem Bereich bei Entlastung der Spannung immer seinen Ausgangszustand an.
Lüdersbereich (werkstoffspezifisch)
Plastischer, irreversibler und inhomogener Verformungsbereich zwischen oberer und unterer Streckgrenze. Eine Versetzungsbewegung im Metall führt zu einer Zunahme der Dehnung bei relativ konstanter Spannung.
Gleichmaßdehnungsbereich
In diesem plastischen Verformungsbereich verformt sich die Probe über die parallele Länge Lc gleichmäßig und irreversibel.
Einschnürungsbereich
Der Bereich beginnt, wenn sich die Probe lokal einschnürt und die Spannung dadurch nach dem Spannungsmaximum bis zum Probenbruch abnimmt. Je nach Werkstoff ist die Einschnürung unterschiedlich ausgeprägt.
Werkstoffspezifische Besonderheiten
Bei metallischen Werkstoffen unterscheidet man Zugversuche ohne Streckgrenze und Zugversuche mit ausgeprägter Streckgrenze (Dehngrenze). So haben beispielsweise viele Baustähle einen Lüdersbereich, welcher sich durch das Abfallen der Spannung beim Übergang in den plastischen Bereich (ausgeprägter Streckgrenzeneffekt) ankündigt. Der ausgeprägte Streckgrenzeneffekt entsteht aufgrund der Wechselwirkung von interstitiell (in den Zwischenräumen) eingelagerten Fremdatomansamlungen wie C und N und Versetzungen.
Abb.1 schematisches Spannungs/Dehnungs-Diagramm mit ausgeprägter Streckgrenze
Abb.2 schematisches Spannungs/Dehnungs-Diagramm ohne ausgeprägte Streckgrenze
Abb.3 schematisches Feindehnungsdiagramm
Zugprüfmaschinen zur Durchführung des Zugversuchs
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