Glossar

Standardtest-Methode für flache Belastung. Bruch-Härte der metallischen Materialien. ASTM International (ASTM - American Society for Testing and Materials) ist eine internationale Standardisierungsorganisation mit Sitz in den USA. Sie veröffentlicht technische Standards für Waren und Dienstleistungen. Die Verwendung von ASTM-Standards ist außer im öffentlich geförderten Bereich der USA freiwillig, wo ein Regierungsprogramm ihre Anwendung, wo immer möglich, vorschreibt.

Standardtestmethode für zyklische Bewegung und der Messung der Mindest- und Maximalbreite der Verbindung der Dehnungssysteme.

Der BCT-Wert (Box compression test) gibt die Kraft an, die ein Karton aus Wellpappe aufnehmen und abtragen kann ohne einzuknicken. Der BCT-Wert ist also ein Maß für die Stabilität eines Kartons. Dieser Wert ist abhängig von der Luftfeuchte bzw. Eigenfeuchte des Kartons sowie vom Materialaufbau der Wellpappe (Kartonsorte, Wellenlänge und Wellenhöhe, ein- oder zweiwellig, Kraftliner, Testliner, Fluting, Faserlänge). Mit dem ECT-Wert kann man näherungsweise mit der McKee-Formel den BCT-Wert errechnen. siehe auch: Flachstauchwiderstand

Der Biegeversuch ist eine Methode der zerstörenden Werkstoffprüfung. Er wird vornehmlich bei metallischen, synthetischen (Kunststoff) und keramischen Werkstoffen durchgeführt. Es gibt verschiedene Arten des Biegeversuches, deren Ablauf ähnlich ist und die sich nur durch die Prüfvorrichtung (Auflage) unterscheiden. Beim Biegeversuch wird die Probe durch (quasi-)statischen Druck beansprucht. Aus dem Spannungs-Dehnungs-Diagramm werden die verschiedenen Kennwerte ermittelt.   

Ablauf

Der Prüfkörper wird auf einer Prüfvorrichtung durch einen Druckstempel durch eine Universalprüfmaschine belastet, bis die Vorkraft erreicht ist. Anschließend wird die Probe solange mit einer Kraft beaufschlagt, bis die Probe zerbricht. Die dazu notwendige Kraft nennt man Bruchkraft. Die Prüfergebnisse sind ähnlich dem eines Zugversuches, allerdings weichen die Formeln je nach Aufbau bzw. Art des Biegeversuches davon ab.

 1 Punkt-Biegeversuch

Beim 1-Punkt-Biegeversuch wird die Prüfprobe an einem Ende eingespannt und auf der freiliegenden Seite mit einem Prüfstempel belastet. Der Biegemodul berechnet sich bei einer Flachprobe wie folgt:

• E: Biegemodul in kN/mm²
• l_v: Stützweite in mm
• X_H: Ende der Biegemodulermittlung in kN
• X_L: Beginn der Biegemodulermittlung in kN
• D_L: Durchbiegung in mm zwischen X_H und X_L
• b: Probenbreite in mm
• a: Probendicke in mm

 3-Punkt Biegeversuch

Beim 3-Punkt-Biegeversuch wird die Prüfprobe auf 2 Auflagen positioniert und in der Mitte mit einem Prüfstempel belastet. Dies ist wahrscheinlich die häufigst verwendete Form des Biegeversuches. Der Biegemodul berechnet sich bei einer Flachprobe wie folgt:

 4-Punktbiegeversuch

Beim 4-Punkt-Biegeversuch wird die Prüfprobe auf 2 Auflagen positioniert und in der Mitte mit einem Prüfstempel mit zwei Druckpunkten belastet. Der Biegemodul berechnet sich bei einer Flachprobe wie folgt:

• l_A: Spannlänge in mm
• l_B: Länge des Bezugsbalkens in mm

 Norm

• DIN 53452: 1977-04 Biegeversuch (zurückgezogen)
• DIN EN ISO 178: 2006-04 Kunststoffe - Bestimmung der Biegeeigenschaften (ISO 178:2001 + AMD 1:2004); Deutsche Fassung EN ISO 178:2003 + A1:2005

Stuhlprüfung nach amerkanischer Norm; teilweise deutlich härter als DIN und EN (mehr Zyklen, höhere Lasten)

Die vom schwedischen Ingenieur Johan August Brinell im Jahre 1900 entwickelte und auf der Weltausstellung in Paris präsentierte Methode der Härteprüfung kommt bei weichen bis mittelharten Metallen (DIN EN ISO 6506) wie zum Beispiel unlegiertem Baustahl oder Aluminiumlegierungen, bei Holz (ISO 3350) und bei Werkstoffen mit ungleichmäßigem Gefüge, wie etwa Gusseisen, zur Anwendung. Dabei wird eine Stahlkugel oder eine Hartmetallkugel mit einer festgelegten Prüfkraft F in die Oberfläche des zu prüfenden Werkstückes gedrückt. Nach dem letzten Stand der Normung ist eine Stahlkugel ab dem Jahr 2006 allerdings nicht mehr zulässig. Die Norm schreibt jetzt für alle Stoffe Kugeln aus Sinterhartmetall vor.

Der Cobb-Wert gibt Auskunft über das Wasseraufnahmevermögen einer Voll- oder Wellpappe. Dieser Wert ist wichtig für die Berechnung der zu erwartenden Stabilität eines Kartons oder Faltschachtel. Im internationalen Warenumschlag, speziell in tropische Länder, dürfen Kartons nur eine geringe Feuchteaufnahme besitzen, da mit steigender Wasseraufnahmefähigkeit die Stabilität des Kartons sinkt. Je geringer der Cobb-Wert, desto stabiler bleibt die Verpackung auch bei hoher Luftfeuchtigkeit. Typische Angaben eines GC1-Vollpappekartons: Wasseraufnahme nach DIN EN 20535 bzw. ISO 535 (Cobb 60s): Vorderseite < 35 g/m² Das bedeutet, dass 1m² der Vorderseite eines GC1-Kartons nach 60 Sekunden bis zu 35 Gramm Wasser aufnimmt.

Die Dehnung (Formelzeichen: ε) ist eine Angabe für die relative Dimensionsänderung (Verlängerung bzw. Verkürzung) eines Körpers unter Belastung, beispielsweise durch eine Kraft oder durch eine Temperaturänderung (Wärmeausdehnung). Wenn die Abmessung des Körpers sich vergrößert, spricht man von einer positiven Dehnung, andernfalls von einer negativen Dehnung oder Stauchung.

Das DIN ist ein eingetragener Verein, wird privatwirtschaftlich getragen und ist laut eines Vertrages mit der Bundesrepublik Deutschland die zuständige deutsche Normungsorganisation für die europäischen und internationalen Normungsaktivitäten. Es bietet ein Forum für Hersteller, Handel, Industrie, Wissenschaft, Verbraucher, Prüfinstitute und Behörden, als so genannte interessierte Kreise im Konsensverfahren Normen zu erarbeiten.Durch die Entstehungsweise der Normen soll sichergestellt werden, dass die Inhalte und Verfahrenstechniken den allgemein anerkannten Regeln der Technik entsprechen. Die vom DIN herausgegebenen Normen werden über den Beuth-Verlag, ein Tochterunternehmen der DIN-Gruppe, in Normblättern in Papierform und als Download kostenpflichtig vertrieben. Der Verlag vertreibt auch Normdokumente anderer und ausländischer Normungsstellen.

Die DIN EN ISO 527 beschreibt die Bestimmung der Zugeigenschaften von Kunststoffen und Kunststoff-Verbunden unter festgelegten Bedingungen. Sie ist gegliedert in fünf Teile, wobei Teil 1 die allgemeinen Grundsätze zur Bestimmung der Zugeigenschaften vorgibt. In den darauffolgenden Teilen 2 bis 5 werden die Prüfbedingungen werkstoffspezifisch festgelegt:

• Teil 2 - für Form- und Extrusionsmassen
• Teil 3 - für Folien und Tafeln
• Teil 4 - für isotrop und anisotrop faserverstärkte Kunststoffverbundwerkstoffe
• Teil 5 - für unidirektional faserverstärkte Kunststoffverbundwerkstoffe

Mit den Verfahren nach DIN EN ISO 527 können mithilfe von bestimmten Probekörpern folgende Kennwerte ermittelt werden:

• Zugfestigkeit: maximale mechanische Zugspannung, die ein Werkstoff aushält
• Elastizitätsmodul (E-Modul): Materialkennwert der bei linear-elastischem Verhalten den proportionalen Zusammenhang zwischen Spannung und Dehnung beschreibt, der bei der Verformung eines festen Körpers auftritt.
• Streckspannung: erstes lokales Spannungsmaximum im Spannungs-Dehnungs-Diagramm - Zunahme der Dehnung ohne Steigerung der Spannung
• Bruchspannung: Zugspannung, die bei Bruch des Probekörpers auftritt
• Bruchdehnung: prozentuale bleibende Verlängerung der Zugprobe (bezogen auf die Anfangsmesslänge) nach dem Probenbruch
• Poissonzahl (Querkontraktionszahl): Materialkennwert, der das Verhältnis der relativen Änderung der Dicke zur relativen Änderung der Länge im einachsigen Zugversuch beschreibt.

Die Typen von Probekörpern und deren Herstellung werden in dem für das jeweilige Material zutreffenden Teil der DIN EN ISO 527 beschrieben.

Die vierteilige Norm DIN EN ISO 6892 beschreibt die Ermittlung der Zugeigenschaften von metallischen Proben unter festgelegten Bedingungen. Die DIN EN ISO 6892 definiert die mechanischen Kennwerte und standardisiert den Zugversuch, sodass die Eigenschaften sicher und reproduzierbar bestimmt werden können.

Teil 1 - Ermittlung der Zugeigenschaften bei Raumtemperatur

Teil 2 - Ermittlung der Zugeigenschaften bei erhöhten Temperaturen (> 35°C)

Teil 3 - Ermittlung der Zugeigenschaften bei tiefen Temperaturen

Teil 4 - Ermittlung der Zugeigenschaften in flüssigem Helium

Typische Materialkennwerte des einachsigen (uniaxialen) Zugversuches sind:

• Dehn- oder Streckgrenzen: Übergang vom elastischen zum plastischen Materialverhalten (Rp0,2 bzw. ReH und ReL)
• Zugfestigkeit: maximale mechanische Zugspannung, die der Werkstoff standhält
• Bruchspannung: Zugspannung, die bei Bruch des Probekörpers auftritt
• Bruchdehnung: prozentuale bleibende Verlängerung der Zugprobe (bezogen auf die Anfangsmesslänge) nach dem Probenbruch
• Gleichmaßdehung: prozentuale bleibende Verlängerung der Zugprobe (bezogen auf die Anfangsmesslänge) bei Beginn der Probeneinschnürung (entspricht i.d.R. Dehnung bei Höchstkraft)

Für die Ermittlung von mechanischen Kennwerten werden in den Teilen der Norm verschiedene Verfahren, bezogen auf die Regelung der Prüfgeschwindigkeit vorgegeben. In der DIN EN ISO 6892-1 (Zugversuch Raumtemperatur) sind es zwei grundlegende Varianten bezüglich der Prüfgeschwindigkeit einsetzbar:

Verfahren A - Prüfgeschwindigkeiten basierend auf Dehngeschwindigkeit

• A1: "closed loop" - automatische Regelung anhand Extensometersignal
• A2: "open loop" - Regelung der abgeschätzten Dehngeschwindigkeit anhand vorher berechneter und eingestellter Traversengeschwindigkeit

Verfahren B - Prüfgeschwindigkeiten basierend auf Spannungsgeschwindigkeit

Aufgrund der auftretenden Minimierung von Messunsicherheiten und Unterschieden in den Prüfgeschwindigkeiten, sowie der Tatsache, dass die Dehngeschwindigkeitsempfindlichkeit der Materialien oft unbekannt ist, wird in der DIN EN ISO 8692-1 die Anwendung von Verfahren A dringend empfohlen.

Möbel - Sitzmöbel - Bestimmung der Standsicherheit; Deutsche Fassung EN 1022:2018.

Büromöbel - Büro-Arbeitsstuhl - Teil 1: Maße - Bestimmung der Maße; Deutsche Fassung EN 1335-1:2020. Festlegung der Maße für vier Arten von Büro-Arbeitsstühlen und der Prüfverfahren für deren Bestimmung.

Büromöbel - Büro-Arbeitsstuhl - Teil 2: Sicherheitsanforderungen; Deutsche Fassung EN 1335-2:2020. Prüfverfahren für die Anforderungen an die Sicherheit, Festigkeit und Dauerhaltbarkeit für Büro-Arbeitsstühle.

Möbel für den Wohnbereich - Sitzmöbel - Prüfverfahren zur Bestimmung der Festigkeit und Dauerhaltbarkeit;

Möbel - Tische - Prüfverfahren zur Bestimmung der Standsicherheit, Festigkeit und Dauerhaltbarkeit; Deutsche Fassung EN 1730:2012.

Büromöbel - Büro-Arbeitstische - Teil 1: Maße; Deutsche Fassung EN 527-1:2011.

Büromöbel - Büro-Arbeitstische - Teil 2: Anforderungen an die Sicherheit, Festigkeit und Dauerhaltbarkeit; Deutsche Fassung EN 527-2:2016+A1:2019.

Sitzmöbel und Tische für den Wohn-, Objekt- und Campingbereich - Teil 2: Mechanische sicherheitstechnische Anforderungen und Prüfverfahren für Sitzmöbel

EN ISO 9001 legt die Mindestanforderungen an ein Qualitätsmanagementsystem (QM-System) fest, denen eine Organisation zu genügen hat, um Produkte und Dienstleistungen bereitstellen zu können, welche die Kundenerwartungen sowie allfällige behördliche Anforderungen erfüllen. Zugleich soll das Managementsystem einem stetigen Verbesserungsprozess unterliegen. Die acht Grundsätze des Qualitätsmanagements sind

1. Kundenorientierung
2. Verantwortlichkeit der Führung
3. Einbeziehung der beteiligten Personen
4. Prozessorientierter Ansatz
5. Systemorientierter Managementansatz
6. Kontinuierliche Verbesserung
7. Sachbezogener Entscheidungsfindungsansatz
8. Lieferantenbeziehungen zum gegenseitigen Nutzen

Die Einführung eines Qualitätsmanagementsystems ist eine strategische Entscheidung für eine Organisation. Wenn sich eine Organisation stärker an ihren Kunden orientieren will, um Wettbewerbsvorteile zu erlangen, hat sie mit dieser Norm einen Mantel, mit dem sie sich kleiden kann. Die Norm gibt nur einen bestimmten Rahmen vor, der viel weiter gefasst ist als die Vorgängernormen. Der prozessorientierte Ansatz basiert auf den vier Hauptprozessen einer Organisation, welche einen Input in einen Output umwandelt. Die Norm betrachtet diese Prozesse (Vorgänge) und vergleicht die Sollvorgaben (Planungen) mit den Istwerten. Bei Abweichungen werden Verbesserungen und Veränderungen definiert und geplant. Somit schließt sich der Kreis Plan – Do – Check – Act, auch PDCA-Zyklus genannt.

Der ECT-Wert (Edge Compression Test), zu deutsch Kantenstauchwiderstand, gibt Auskunft darüber, wie viel Kraft eine Wellpappenprobe mit einer definierten Länge und Höhe ohne Schäden abtragen kann. Dieser Wert kann zur näherungsweisen Berechnung des BCT-Wertes herangezogen werden, um die Stapelstauchfähigkeit eines Kartons zu berechnen. Am einfachsten und ungenauesten ist die Formel nach McKee. McKee-Formel: BCT = 5,876 x ECT (kN/m) Wurzel aus Schachtelumfang (mm) x Wellpappendicke (mm)

Unter dem Einsatzhärten von Werkstücken aus Stahl versteht man die Wärmebehandlung der Oberfläche. Dabei wird das Werkstück aufgekohlt, gehärtet und im Anschluss angelassen. Als Ergebnis erhält man einen weichen Kern bei einer gleichzeitig harten Oberfläche. Die Randschicht des Werkstücks wird bei einer Temperatur von 850°-950°C mit Kohlenstoff angereichert. Der Kohlenstoff diffundiert von der angereicherten Randschicht in den Kern. In der Folge stellt sich ein Kohlenstoffprofil ein, das vom Rand zum Inneren des Werkstücks hin, einen abnehmenden Kohlenstoffgehalt aufweist. Im Anschluss an die Aufkohlung wird das Bauteil gehärtet und angelassen.

Als Einsatzhärtetiefe (CHD) wird der senkrechte Abstand von der Probenoberfläche bis zu der Schicht genannt, deren Grenzhärte 550 HV betragen sollte. Die Grenzhärte leitet sich grafisch aus einer Härteverlaufskurve ab. Letztere stellt die Härte in Abhängigkeit des Abstands von der Probenoberfläche (Randabstand) dar. Die Einsatzhärtetiefe wird in mm angegeben. 

An der fein bearbeiteten Probenoberfläche werden in exakt definierten Abständen Probeneindrücke aufgebracht. Als Prüfverfahren kann sowohl Vickers als auch Knoop mit einer Prüfkraft zwischen 0,98-9,8 N zum Einsatz kommen.

Durch Ausmessen des Randabstands bis zur Grenzhärte von 550 HV bzw. den entsprechenden Knoop-Härtewert erhält man die Einsatzhärtetiefe (CHD-Wert).

Festigkeit ist eine Werkstoffeigenschaft und beschreibt den mechanischen Widerstand, den ein Werkstoff einer Verformung oder Trennung entgegensetzt. Aus dem Spannungs-Dehnungs-Diagramm werden die technisch relevanten Festigkeitskennwerte ermittelt. Je nach Werkstoff, Werkstoffzustand, Temperatur, Belastung und Belastungsgeschwindigkeit können unterschiedliche Festigkeiten erreicht werden. Je nach Art der angreifenden Belastung unterscheidet man

• statische und dynamische Festigkeit: z.B. ruhende, ansteigende, Zeit- oder Dauerfestigkeit,
• nach der Richtung der Last: vor allem Zug- und Druckfestigkeit,
• aber auch Biege-, Knick- und Scherfestigkeit.

Bei einer Zugbeanspruchung unterscheidet man zwischen den Begriffen

• Zugfestigkeit 
  • Formelzeichen (bei Metallen): R_m
  • Einheitenzeichen: N/mm² (= MPa)
   
• und der Fließgrenze (Dehngrenze bzw. Streckgrenze) 
  • Formelzeichen (bei Metallen): R_p bzw. R_e
  • Einheitenzeichen: N/mm² (= MPa)
   

Die Dehngrenze wird dabei einer bestimmten plastischen Verformung, z.B. 0,2%, zugeordnet. Man schreibt dann R_p0,2. Die (ausgeprägte) Streckgrenze spielt nur bei un- und niedriglegierten Stählen in bestimmten Wärmebehandlungszuständen eine Rolle, insbesondere bei Baustahl. In die mechanische Auslegung von Bauteilen fließt der Mindestwert bzw. gewährleistete Wert der Festigkeiten ein. Die Mindestzugfestigkeit liegt beispielsweise bei einem Stahl (S235JR - früher St37-2), der im Stahlhochbau Verwendung findet, je nach Qualität bei 370 N/mm². Seine Mindeststreckgrenze hingegen bei 235 N/mm². Würde man nun in einem Zugversuch eine Probe dieses Stahls, welche einen Querschnitt von 1 mm² hat, mit einer Kraft belasten, müsste diese bei mindestens 370 N liegen um die Probe zu zerreißen. 370 N entsprechen auf der Erde dem Gewicht einer Masse von 37,7 kg. Daraus kann geschlossen werden, dass beim Versuch, mit diesem Stahldraht eine Masse von 37,7 kg oder größer zu heben, ein Versagen des Werkstoffes nicht mehr ausgeschlossen werden kann. Bei dieser Belastung wird der Draht bereits bleibend (plastisch) verformt. Da dies meistens nicht zugelassen werden soll, verwendet man bei der mechanischen Auslegung von Bauteilen häufig die Mindeststreckgrenze (R_e). Dieser Wert gibt die Spannung im Werkstoff an bis zu der nur eine elastische Verformung stattfindet. Das heißt bei einer Zugkraft F_z von 235 N auf eine Probe mit einem Querschnitt von 1 mm² dehnt sich diese Probe zwar, sie kehrt aber, ohne sich bleibend (plastisch) zu verformen, in ihren Ursprungszustand zurück. Hier lässt sich eine Masse von 23,9 kg ermitteln, mit deren Gewicht dieser Werkstoff im Zugversuch belastet werden kann, sich aber elastisch verhält. Aus Sicherheitsgründen werden die genannten Kennwerte in der technischen Anwendungen grundsätzlich noch durch einen Sicherheitsfaktor dividiert, der die Unsicherheiten bei der Beurteilung der Beanspruchung und die Streuung der Widerstandsgrößen berücksichtigt, aber auch vom möglichen Schaden bei Versagen des Bauteils abhängt. Im Stahlbau liegt der Sicherheitsfaktor für das Material in der Regel bei 1,1. Dabei ist zu beachten, dass die Belastungen jeweils durch eigene Faktoren abgesichert werden (Teilsicherheitskonzept). Da die Kennwerte immer nur im einachsigen Zugversuch ermittelt werden, Bauteile aber oft mehrachsig beansprucht werden (z.B. Wellen auf Biegung und Torsion, wobei die Biegung an sich strenggenommen bereits eine mehrachsige Beanspruchung bedeutet) gilt es, unter Zuhilfenahme einer Festigkeitshypothese eine einachsige Vergleichsspannung zu ermitteln, die dann mit der bekannten Festigkeit verglichen werden kann. Schwingende und auch viele sich allgemein bewegende Bauteile werden periodisch belastet. Diese Belastungen können nicht hinreichend mit Hilfe der oben genannten Kennwerte beschrieben werden, da es dort bereits bei deutlich geringeren Belastungen zum Versagen des Werkstoffs kommt. Solche Belastungen werden mit Hilfe der Dauerschwingfestigkeit erfasst.

Festigkeitslehre ist ein Teilgebiet der technischen Mechanik und befasst sich mit der Wirkung von Kräften auf deformierbare Festkörper. Im Gegensatz zur Statik sind hier materialabhängige Parameter wie der Elastizitätsmodul oder die Dehngrenze von Bedeutung. Hauptinhalt der Festigkeitslehre ist es, vorauszusagen, ob ein Bauteil der aufgebrachten Belastung standhält. Die allgemeine Beschreibung des Verhaltens der Festkörper wird Kontinuumsmechanik genannt. Es gibt verschiedene Ansätze der Festigkeitslehre. Alle Ansätze stellen den auftretenden Belastungen die Widerstandsfähigkeit des Körpers gegenüber. Hauptunterschiede zwischen den Ansätzen sind die Aufteilung der Parameter auf die Bereiche Belastung und Widerstandsfähigkeit. Im folgenden wird der heute am weitesten verbreitete Ansatz beschrieben. Auftretende Belastungen Die auftretenden Belastungen werden nach den Gesetzen der Mechanik berechnet. In einigen Fällen werden auch die Gesetze der Fluidmechanik, der Thermodynamik oder des Wärmetransports genutzt, um Randbedingungen oder Belastungen zu berechnen. Wichtig ist hierbei, dass die Belastungen meist analytisch unter vereinfachenden Annahmen (z. B. Weglassen der Schwere) bestimmt wird. In jüngster Zeit werden jedoch immer häufiger numerische Methoden wie die Finite-Elemente-Methode (FEM) verwendet. Die bei einer äußeren Belastung im Körper auftretenden Spannungen sind abhängig von:

• Beanspruchungsart: Zug¹⁾, Druck¹⁾, Schub, Biegung, Torsion oder eine Kombination (zusammengesetzte Beanspruchung)
• Richtung der äußeren Belastungen
• Betrag der äußeren Belastungen
• Ort der äußeren Belastungen
• Geometrie des Körpers
• Zeitliches Verhalten der Belastungen (z. B. schwellend, wechselnd)

¹⁾ Zug und Druck werden i. A. als eine Belastungsart (der Normalspannung) angesehen.

Widerstandsfähigkeit des Körpers

Die Widerstandsfähigkeit eines Körpers wird in vielen Fällen ermittelt, indem man die Materialkennwerte einer genormten Probe auf die Kennwerte des Körpers umrechnet. Dabei bedient man sich im Allgemeinen der Elastizitätstheorie bzw. auch der Plastizitätstheorie. Für einfach geformte (z. B. stabförmige Körper) können daraus Formeln theoretisch abgeleitet werden. Für kompliziertere Körper verwendet man vorwiegend Computerprogramme, u. a. Anwendungen der Finite-Elemente-Methode. Weitere Einflüsse (außer Form, Belastungsart und Materialkennwerte) sind:

• der Größeneinfluss (bedingt durch den unterschiedlichen Einfluss von Materialfehlern)
• der Oberflächeneinfluss, bedingt z. B. durch Rauhheit oder Verfestigung der Oberfläche
• Einfluss sonstiger Randbedingungen, z. B. Temperatur (soweit nicht schon im Berechnungsmodell berücksichtigt), trockene Reibung oder aggressive Medien.

Diese Einflüsse werden z. T. durch empirisch gewonnene Faktoren berücksichtigt. In manchen Fällen wird die Widerstandsfähigkeit der Körper rein empirisch entwickelt, d. h. durch Experimente an gleichartigen Körpern oder Modellen. Bei der Verwendung von Modellen müssen die Gesetze der Ähnlichkeitstheorie berücksichtigt werden. In einigen Bereichen z. B. Maschinenbau oder Bauwesen existieren einheitliche Berechnungsverfahren, die größtenteils genormt sind.

Ergebnisse der Festigkeitsberechnung

Die Ergebnisse sind dimensionslose Werte (Werte ohne physikalische Einheiten), die Sicherheiten genannt werden. Sie werden als Verhältnis von Widerstandsfähigkeit zur auftretenden Belastung berechnet. Die Sicherheiten müssen größer als die Mindestwerte sein. Die Höhe dieser Mindestwerte hängt im Wesentlichen von folgenden Einflüssen ab:

• Genauigkeit des gewählten Berechnungsmodelles
• Wahrscheinlichkeit des gleichzeitigen Auftretens von Höchstwerten unabhängiger Belastungen
• Wahrscheinlichkeitsverteilung der Werkstoff-Widerstandswerte
• Auswirkung des Versagens von Bauteilen auf das gesamte Tragwerk

In vielen Fällen muss die Sicherheit gegen mehrere Versagensarten nachgewiesen werden, z. B.:

• Sicherheit gegen Bruch
• Sicherheit gegen Funktionsverlust durch unzulässige Verformung
• Sicherheit gegen Ermüdung (Bruch nach häufigen Belastungsänderung, z. B. bei Fahrzeugachsen)
• Sicherheit gegen Stabilitätsverlust, z. B. gegen Knicken oder Beulen

Beispiel

Als einfachstes Beispiel ist ein Stab zu betrachten, der von beiden Seiten mit der Kraft F gezogen wird. Mit der Querschnittsfläche A ergibt sich die Spannung s. (s =F/A). Besteht der Stab aus dem Stahl S235, so kann nun die Spannung s mit der Streckgrenze dieses Stahls verglichen werden (ca. 235 N/mm²). Ist die Spannung kleiner als die Streckgrenze, verformt sich der Stab nicht dauerhaft.

Berechnungsverfahren

Es werden insbesondere die Berechnungsverfahren der Technischen Mechanik und der Baustatik benutzt; dazu gehörten bis ins 20. Jahrhundert hinein vor allem graphische Verfahren, wie

• der Mohrsche Spannungskreis zur Bestimmung der Komponenten des Spannungstensors,
• das Seileckverfahren zur Bestimmung der Lage und Größe der Resultierenden bei mehreren Kräften,
• der Cremonaplan zur Bestimmung der Stabkräfte in Fachwerken.

Hinzu kamen analytische Verfahren der Kraftgrößenmethode, wie

• das Rittersche Schnittverfahren zur Berechnung einzelner Stabkräfte in Fachwerken oder
• die Anwendung der Sätze von Castigliano zur Berechnung der Auflagerkräfte und Schnittreaktionen in statisch unbestimmten Tragwerken.

Heute haben sich in der Hauptsache computergestützte Methoden durchgesetzt, die die Analyse auch komplizierter Systeme mit verhältnismäßig geringem Aufwand ermöglichen. Dazu gehören vor allem

• die Finite-Elemente-Methode und
• die Rand-Elemente-Methode.

Der Zugversuch ist ein nach DIN EN 10 002 für metallische Werkstoffe genormtes Standardverfahren der Werkstoffprüfung. Beim Zugversuch ist die Gleichmaßdehnung A_g die auf die Anfangslänge L₀ bezogene plastische Längenänderung L_pm bei Beanspruchung der Zugprobe mit der Höchstkraft F_m.

Härte ist der mechanische Widerstand, den ein Körper dem Eindringen eines anderen Körpers entgegensetzt. Härte ist nicht nur der Widerstand gegen härtere Körper, sondern auch der Widerstand gegen weichere und gleich harte Körper. Die Definition der Härte ist anders als bei der Festigkeit, wo von der Widerstandsfähigkeit eines Stoffes gegenüber inneren oder äußeren Kräften gesprochen wird. Die Härte eines Körpers lässt Rückschlüsse auf vielerlei Eigenschaften zu, wobei sich diese nach der Art des Körpers richten. Ein Beispiel ist das Verschleißverhalten. Harte Brillengläser zerkratzen weniger, harte Zahnräder nutzen sich langsamer ab. Bei der Auswahl von Werkzeugschneiden wie Fräskopf oder Drehmeißel ist die Härte von besonderer Bedeutung, denn harte Schneiden bleiben länger scharf. Vielfache Anwendung und je nach fachlichem Schwerpunkt andere Akzentsetzung findet der Begriff der Härte in der Festkörperphysik, der Materialwissenschaft bei der Analyse von Werkstoffen und in den Geowissenschaften bei der Charakterisierung von Gesteinen und Mineralen. Beide überschneiden sich diesbezüglich auch mit den Ingenieurwissenschaften, wobei die Härte vor allem in der Ingenieurgeologie eine größere Rolle spielt. Die Härte gehört mit der Risszähigkeit, Festigkeit, Duktilität, Steifigkeit, Dichte und der Schmelztemperatur zu den Werkstoffeigenschaften eines Werkstoffes.

Die Härte lässt sich nur durch den Vergleich von mehreren Werkstoffen oder Werkstoffzuständen ermitteln.Gibt Unterschiedliche Härteskalen ( Brinell, Rockwell, Vickers).

Der IK-Stoßfestigkeitsgrad ist ein Maß für die Widerstandsfähigkeit eines Bauteiles gegen Stoßbeanspruchung. Er ist nach CEI EN 50102 genormt und beschreibt, wie viel Schlagenergie in Joule das Bauteil aushält, ohne zu brechen. Es gibt 10 Klassen:

• K00 keine Stoßfestigkeit
• IK01 bis zu 0,150 J
• IK02 bis zu 0,2 J
• IK03 bis zu 0,35 J.
• IK04 bis zu 0,5 J.
• IK05 bis zu 0,7 J.
• IK06 bis zu 1 J.
• IK07 bis zu 2 J.
• IK08 bis zu 5 J.
• IK09 bis zu 10 J.
• IK10 bis zu 20 J.

Übersetzungen des Namens Internationale Organisation für Normung ergeben verschiedene Abkürzungen, abhängig von der Sprache, zum Beispiel: IOS (International Organization for Standardization) auf Englisch oder OIN (Organisation internationale de normalisation) auf Französisch. Deshalb wählte man die einheitliche Kurzbezeichnung ISO, die vom griechischen Wort „isos“ abstammt, das „gleich“ bedeutet. Somit ist die Kurzbezeichnung in jedem Land und jeder Sprache einheitlich.

Die ISO 37 beschreibt eine Methode zur Bestimmung der Zugfestigkeitseigenschaften von thermoplastischen sowie klassischen Elastomeren, wie beispielsweise Gummi. Bei Thermoplastischen Elastomeren handelt es sich um Kunststoffe, welche sich bei Raumtemperatur wie die klassischen Elastomere verhalten, bei Wärmezufuhr allerdings eine plastische Verformung zulassen.

Bei einem Zugversuch nach ISO 37 können folgende Eigenschaften bestimmt werden:

• Zug- und Reißfestigkeit
• Bruch- und Reißdehnung
• Streck-/Dehngrenze
• Spannung bei vorgegebenen Dehnungswerten

Die Norm beschreibt als zulässige Prüfkörper-Geometrien hantelförmige Flachproben sowie Ringe, welche weitestgehend den Abmessungen aus der DIN 53504 entsprechen.

Eine ISO-Norm ist ein vom Internationale Organisation für Normung (ISO) publizierte Norm. • Als Europäische Norm übernommen ISO-Normen (EN ISO) siehe Kategorie:Europäische Norm, zahlreiche ISO-Normen sind auch als DIN ISO umgesetzt und in DIN eingetragen, wenn sie keine Europäische Norm (DIN EN ISO) sind • Bitte alphabetisch unter der Nummer eintragen: [[Kategorie:ISO-Norm|Nummer]]. (Wenn der zugehörige Artikel einen anderen Titel hat, den passenden Redirect kategorisieren.) Metalische Werkstoffe - Prüfung von Prüfmaschinen für statische einachsige Beanspruchung Teil 1: Zug- und Druckprüfmaschinen - Prüfung und Kalibrierung .

Anschaulisch kann das J.Integral als die auf die Probendicke B bezogene Energieänderung U bei einer Änderung der Risslänge um a interpretiert werden. J= - (1/B)*( U/a) Mit diesem Energiekriterium ist es möglich, aus Kraft-Verschiebungskurven das J-Integral experimental zu bestimmen.

Die Kerbwirkung entsteht an eingeschnittenen oder gekerbten Körpern, die auf Zug, Scherung oder Torsion belastet werden. Durch die Kerbe entstehen lokale Spannungsspitzen, welche die Festigkeit des Körpers mindern. Technische Bedeutung Die Kerbwirkung ist häufig unerwünscht, da sie Bauteile in technischen Anwendungen höher beansprucht, so dass diese, um ihre bestimmungsgemäße Lebensdauer zu erreichen, größer gebaut werden müssen oder ansonsten vorzeitig versagen. Andererseits wird die Kerbwirkung gezielt eingesetzt. Gezielte Anwendung Entlastungskerben: Wenn Bauteile große Durchmesseränderungen haben, kann man Entlastungskerben einbringen, die den Übergang vom großen Durchmesser auf den kleinen Durchmesser elastischer machen.

• Um bei Überlastungen einen unvermeidbaren Bruch gezielt nur an einer bestimmten Stelle auftreten zu lassen, werden Kerben als Sollbruchstellen platziert. Bei der Konstruktion achtet man dann darauf, dass die Bruchstelle einfach erreichbar und das geschädigte Bauteil kostengünstig ersetzbar ist, sowie auch weitergehende Schadensrisiken vermieden werden.
• Verpackungen, wie z.B. Konservendosen oder Getränkedosen mit Aufreißlaschen oder Folienverpackungen werden mit vorgestanzten Kerben versehen, um das Öffnen zu erleichtern Kerbwirkung als Störfaktor Kerben, die zu einem unerwünschten Ausfall führen, können zahlreiche Ursachen haben:
• Viele natürliche Vorgänge hinterlassen Kerben, wie z.B. Rost an der Oberfläche von Stahlbauteilen. Bei solchen Konstruktionen wird so die Struktur geschwächt; bei fortschreitender Schädigung beendet dann ein Riss spontan die Tragfähigkeit.
• Die Kerbwirkung geht von rauhen Oberflächen aus. Oftmals kann man ihr mit geglätteten oder polierten Oberflächen entgegenwirken.
• Einschlüsse im Körper, z.B. Lunker oder Graphit in Grauguss, wirken als Kerben.
• Die Art des Fügeverfahrens, z.B. Nieten statt Kleben, beeinflusst die Kerbwirkung an der Nahtstelle.
• Die Geometrie des Bauteils kann Kerbenwirkung hervor rufen, z.B. ein Wellenabsatz oder eine Änderung des Querschnitts bei rotationssymmetrischen (runden) Bauteilen. Berechnung Die Abschätzung der Kerbwirkung geschieht in der Konstruktion auf mehrere Arten:
• Einfache Probleme werden mit Vergleichszahlen abgeschätzt, welche den Werkstoff und die geometrischen Bedingungen berücksichtigen.

Mit Hilfe der Finiten Elemente Methode (FEM) können Kerbwirkungen berechnet werden Mechanismus Kerbwirkung Die vier Bilder zeigen, wie die Kerbwirkung entsteht: 1. Ausgangslage: Ein normaler Rundstab, der nicht belastet wird und eine zylindrische Form hat. 2. Wird an den Enden eine Zugkraft längs der Bauteilachse aufgebracht, dann verlängert sich der Stab unter dem Einfluss der Zugkraft. Gleichzeitig zieht er sich quer zur Zugrichtung (rote Pfeile) zusammen (Querkontraktion). Wie sehr er sich in Querrichtung zusammenzieht, wird von der Querdehnungszahl (Poissonzahl) beschrieben. 3. Schweißt man an den Rundstab eine Hülse an (gelb hinterlegt) und belastet ihn wiederum auf Zug, so ändert sich nichts Wesentliches an den Verhältnissen. Auch hier zieht sich der Stab in Querrichtung zusammen. 4. Wenn allerdings die Hülse mit dem Rundstab über die gesamte Länge fest (stoffschlüssig) verbunden wäre oder -was von der Wirkung analog wäre- der Zugstab eingekerbt wird, ergeben sich zusätzliche Spannungen. Die gelb markierten Zonen werden von der Zugkraft in Längsrichtung nicht gedehnt, deshalb ziehen sie sich nicht in Querrichtung zusammen. Andererseits möchte sich das Kernmaterial (grau hinterlegt), welches die Zugkraft weiterleitet nach innen zusammenziehen (rote Pfeile). Die gelb markierten Zonen sacken aber nicht nach und erzeugen statt dessen eine Querkraft, die nach außen gerichtet ist und das Kernmaterial an der Querkontraktion hindern will. 5. Hier ist die Spannungsverteilung in einer Welle dargestellt, die auf Zug belastet wird. Die Spannungen verteilen sich einigermaßen gleichmäßig über den gesamten Querschnitt. 6. Wählt man eine dickere Welle und versieht sie mit einem Einstich, so dass der Restquerschnitt den gleichen Durchmesser d hat, wie die vorige Welle, dann ergibt sich an den Übergangsstellen eine Spannungsüberhöhung. In dieser Situation entstehen nicht nur Zugspannungen in Längsrichtung, sondern die Kerbe erzeugt auch Zugspannungen in Querrichtung. Das tragende Kernmaterial wird zusätzlich belastet und der nun mehrachsige Spannungszustand führt zu lokalen Spannungsspitzen. Die Welle mit der Kerbe ist also weniger tragfähig als die ungekerbte, schmale Welle, obwohl sie eine größere Masse hat. Nimmt man an, dass in Bild (4) der größte Durchmesser D und der engste Durchmesser d ist, dann reißt dieser gekerbte Stab bei geringeren Zugspannungen als ein Stab, der über die gesamte Länge nur den Durchmesser d hat. Wie stark eine Kerbe die Spannung überhöht, hängt von mehreren Faktoren ab: • Der Werkstoff kann besonders empfindlich sein, z.B. spröde Werkstoffe. Zähe (duktile) Werkstoffe hingegen können durch plastische Deformation (Fließen) die Kerbspannungen herabsetzen. • Die Form der Kerbe: Spitze oder tiefe Kerben wirken stärker als gut ausgerundete oder flache Kerben. • Die Art der Belastung, z.B. ruhend, schwellende Zugbelastung oder wechselnde Druck- und Zugbelastungen

Abkürzung für Materialprüf(ungs)anstalt oder Materialprüfungsamt (MPA) MPAs sind unabhängige Prüflaboratorien auf dem Gebiet der Werkstofftechnik und Baustofftechnik insbesondere der Werkstoffprüfung und Baustoffprüfung. Häufig sind die MPAs Instituten an Universitäten und Hochschulen angegliedert. Neben der Materialprüfung werden auch Forschungsvorhaben und gutachterliche Tätigkeiten von den MPAs wahrgenommen. Die MPAs bieten daher ein Betätigungsfeld für Wissenschaftler, Ingenieure und technische Mitarbeiter wie Werkstoffprüfer und Baustoffprüfer oder Assistenten.

Die Messtechnik befasst sich mit Geräten und Methoden zur Bestimmung (Messung) physikalischer Größen wie beispielsweise Länge, Masse, Kraft, Druck, Drehzahl, Ladung, Strom, Spannung, Temperatur oder Zeit. Wichtige Teilgebiete der Messtechnik sind die Entwicklung von Messsystemen und Messmethoden, sowie die Erfassung, Modellierung und Reduktion (Korrektur) von Messfehlern und unerwünschten Einflüssen. Dazu gehört auch die Justierung und Kalibrierung von Messgeräten. Die für die Messtechnik grundlegende Norm ist in Deutschland die DIN 1319. Zu den entsprechenden Regelungen in Österreich siehe das dortige Normungsinstitut und die ÖNORM. Die Messtechnik ist in Verbindung mit Steuerungs- und Regelungstechnik eine wichtige Grundlage der modernen Automatisierungstechnik. Für die Methoden und Produkte der industriellen Fertigung kennt man den Begriff der Fertigungsmesstechnik.

Abkürzung für Materialprüf(ungs)anstalt oder Materialprüfungsamt (MPA) MPA sind unabhängige Prüflaboratorien auf dem Gebiet der Werkstofftechnik und Baustofftechnik insbesondere der Werkstoffprüfung und Baustoffprüfung. Häufig sind die MPA Instituten an Universitäten und Hochschulen angegliedert. Neben der Materialprüfung werden auch Forschungsvorhaben und gutachterliche Tätigkeiten von den MPA wahrgenommen. Die MPA bieten daher ein Betätigungsfeld für Wissenschaftler, Ingenieure und technische Mitarbeiter wie Werkstoffprüfer und Baustoffprüfer oder Assistenten. Neben den MPA auf Landesebene gibt es auf Bundesebene die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) in Berlin. Die Anstalten stehen in keinem Über- oder Unterordnungsverhältnis und die BAM hat auch etwas andere Aufgaben.

Die Richtlinie des Gesamtverbandes der Aluminiumindustrie (GDA) und des Verbandes der Automobilindustrie (VDA) umfasst tiefergehende Anforderungen an die Auswertung des Metallzugversuches an Aluminium Walzprodukten nach DIN EN ISO 6892-1. Neben den Vorgaben der Norm, fordert Sie zur Sicherung der Produktqualität unter anderem die Erfüllung der folgenden zusätzlichen Punkte:

• Messung von Längs- und Querdehnung
• Darstellung technischer und wahrer Spannungs-Dehnungs-Diagramme
• Gegenüberstellung von Dehn- und Traversengeschwindigkeit
• Auswertung des Verfestigungsexponenten n nach DIN EN ISO 10275 (n-Wert)
• Auswertung vertikale Anisotropie r nach DIN EN ISO 10113 (r-Wert)
• Plausibilitätsprüfung Dehnungsmessung

tiefergehende Informationen

Ein Pendelhammer wird für den Kerbschlagbiegeversuch eingesetzt. Es handelt sich um ein keilförmig geformtes Massestück, das an einem freischwingenden Pendel aufgehängt ist. Der Prüfkörper - meistens aus Kunststoff oder Metall - zerbricht beim Aufprall des Pendelhammers. Je nach Materialverhalten wird dabei das Pendel mehr oder weniger abgebremst bzw. ausgelenkt. Der Werkstoffprüfer erkennt aufgrund der Auslenkung welche Energie der Prüfling absorbiert hat und kann so die Zähigkeit des Materials errechnen. Das Pendel ist in einem Pendelschlagwerk eingebaut. Mit den heutigen Pendelschlagwerken wird die Auslenkung elektronisch gemessen und ausgewertet.

Arten

Je nach DIN-Norm ist der Pendelhammer unterschiedlich ausgeführt. Er unterscheidet sich nach Form, Masse und Pendellänge.

Charpy-Hammer

Im Bild ist ein Charpypendel nach DIN EN ISO 179 (Norm für Kunststoffe zur Bestimmung der Charpy-Schlagzähigkeit) abgebildet. In der DIN EN ISO 179 sind Pendel mit 50 J (Joule), 25 J, 15 J, 7,5 J, 4 J und 1 J einzusetzen. Wie im Bild zu erkennen, wird bei einem Charpypendel die Probe an beiden Seiten gehalten und in der Mitte durchgeschlagen. Das Verfahren ist üblicherweise nicht für harte Schaumstoffe und Schichtverbundstoffe mit Schaumstoffkern geeignet. Die Norm ASTM D 256, Methode B Charpy, schreibt die Pendel 2,7 J, 5,4 J, 10,8 J, 21,6 J vor. Bei dieser Norm erreicht der Pendelhammer beim Aufprall eine Geschwindigkeit von 3,46 m/s.

Izod-Hammer

Im Gegensatz zum Izod Pendel nach DIN EN ISO 180 (Norm für Kunststoffe zur Bestimmung der Isod-Schlagzähigkeit) wird der Prüfkörper hochkant eingespannt. Izod-Pendel gibt es nach DIN EN ISO 180 in folgenden Varianten (Aufprallenergien): 22 J, 5,5 J und 1 J.

Schlagzug

Eine dritte Variante des Pendelhammers ist der Schlagzug-Hammer nach ISO 8256. Bei dieser Prüfung wird die Probe gestreckt, ähnlich wie bei einem Zugversuch. Hierzu werden Pendel mit 2 J und 4 J verwendet. Hier sind Geschwindigkeiten zwischen 2,6 und 3,2 m/s einzuhalten. Bei den Pendeln 7,5 J, 15 J, 25 J und 50 J sind Geschwindigkeiten von 3,4 bis 4,1 m/s einzuhalten.

Halbkugel

Ein Pendelhammer wird auch bei der Bestimmung der Rückprallelastizität für Gummi und Kautschuk verwendet. Der Hammer wird hierfür auch als Hammerfinne (Halbkugel) bezeichnet und hat eine Aufprallenergie von 0,5 J.

Probekörper oder Prüfkörper finden in Prüf- und Messverfahren Anwendung, und zwar entweder als Prüfgegenstand oder als Prüfmittel:

• In der Werkstoffprüfung sind Probekörper speziell angefertigte und geformte Materialproben; sie sind insofern Gegenstand der Prüfung.
• Als Probekörper werden aber auch Objekte bezeichnet, die - ohne selbst Prüfgegenstand zu sein - in zu prüfende Systeme eingebracht werden. Hier haben sie die Funktion eines Prüfmittels.

Sind die Eigenschaften von Probekörpern in entsprechenden DIN-Vorschriften beschrieben, spricht man von Normprüfkörpern. Es gibt Firmen, die auf den Vertrieb unterschiedlichster Probekörper spezialisiert sind.

Die Universalprüfmaschine, auch Prüfmaschine genannt, wird zur Bestimmung von Spannungs-Dehnungs-Diagrammen bzw. Kennwerten daraus für Werkstoffe verwendet. Im Einzelnen können Zugversuche, Druckversuche oder Biegeversuche durchgeführt werden, wobei Zugversuche am häufigsten sind.

Aufbau:

• Die Zugprüfmaschine besteht im allgemeinen aus einer feststehenden und einer bewegten Traverse, welche mittels einer (bzw.) zwei Spindeln elektrisch oder durch einen Hydraulikzylinder angetrieben wird. Die Traverse wird mit einer definierten Geschwindigkeit (je nach Prüfvorgabe) in eine Richtung bewegt um die Zugprobe die durch Probenhalter zwischen den Traversen gehalten wird zu zerreißen. Dabei werden die Verformung der Probe über den Traversenweg oder einen Dehnungssensor und die benötigte Kraft mit einem Kraftaufnehmer aufgezeichnet. Mit Hilfe der Probenabmessungen können daraus die Spannungen und Dehnungen berechnet werden.

Anforderungen:

• DIN 51220 Allgemeines zur Anforderung an Werkstoffprüfmaschinen und zu deren Prüfung und Kalibrierung
• EN ISO 7500-1 Metalische Werkstoffe - Prüfung von Prüfmaschinen für statische einachsige Beanspruchung Teil 1: Zug- und Druckprüfmaschinen - Prüfung und Kalibrierung
• ISO 5893 Prüfgeräte für Kautschuk und Kunststoffe

Relaxation bezeichnet die Entspannung nach einer Anspannung. Stabile physikalische Systeme kehren nach einer äußeren Störung über Relaxationsprozesse in ihren Grundzustand zurück. Als Relaxationszeit bezeichnet man eine Zeitkonstante, die für einen gegebenen Relaxationsprozess charakteristisch ist. Wenn die Relaxation einer Größe f(t) einem exponentiellen Gesetz f(t) = exp( - t / t) * f(t = 0) folgt, dann ist t die zugehörige Relaxationszeit. Im Falle komplizierterer Zeitabhängigkeiten kann man die Relaxationszeit als definieren. In der Festigkeitslehre versteht man unter Relaxation eine Abnahme der Spannung bei konstanter Dehnung (z.B. erschlaffende Schraubenfeder bei konstanter Federstrecke).

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Für spezifische Information zu einzelnen Relaxationsprozessen siehe

• in der Physik:
  • Relaxation (NMR) in der Kernspinresonanz ("Spin-Spin-Relaxation", "Spin-Gitter-Relaxation")
  • Relaxation (Hydrodynamik)
• in der Chemie:
  • Relaxationszeit einer Reaktion
• in Biologie / Medizin:
  • Muskelrelaxation
• im Operations Research (Relaxierung):
  • Das Weglassen von Bedingungen in Optimierungsmodellen, um ein einfacher lösbares Modell zu erhalten, welches das ursprüngliche Problem enthält.
    • Bei der LP-Relaxierung wird beispielsweise ein gemischt-ganzzahliges Optimierungsproblem dadurch relaxiert, dass die Ganzzahligkeitsforderung ignoriert wird.
    • Bei der Lagrange-Relaxierung werden Nebenbedingungen mit Strafkosten für deren Verletzung in die Zielfunktion aufgenommen.
• In der Numerischen Mathematik dient die Relaxation bei der Lösung von komplexen Gleichungssystemen, die mit Iterationsverfahren gelöst werden, als Hilfsmittel.

Es existieren mehrere von dem amerikanischen Ingenieur und Firmengründer Stanley Rockwell im Jahre 1920 entwickelte Härteprüfverfahren, die für bestimmte Einsatzbereiche spezialisiert sind. Die unterschiedlichen Verfahren werden mit HR und einer anschließenden Kennung gekennzeichnet; Beispiele für eine Rockwellbezeichnung sind HRA, HRB, HRC oder HR15N; Bei Härteprüfung an Blechen bis zu einer Dicke von 0,20 mm HR15T und darüberhinaus HR30Tm. Die Rockwellhärte eines Werkstoffes ergibt sich aus der Eindringtiefe eines kegelförmigen Prüfkörpers aus Diamant. Sie ist in der Norm DIN EN ISO 6508 (DIN EN 10109) festgelegt und wird mit HRC abgekürzt; das C steht dabei für das englische Wort cone für „Kegel“. Mit einer festgelegten Prüfkraft wird dieser Kegel, der einen Spitzenwinkel von 120° und eine abgerundete Spitze mit einen Radius von 0,2 mm besitzt, in die Oberfläche des zu prüfenden Werkstückes vorbelastet. Die eingedrungene Tiefe des Eindringkörpers dient hierbei als Bezugsebene. Danach wird der Eindringkörper über einen Zeitraum von mindestens zwei Sekunden und maximal sechs Sekunden mit der Hauptlast belastet. Anschließend wird diese wieder entfernt, so dass nur noch die Vorlast wirksam ist. Die Differenz der Tiefen vor und nach Auflegen der Hauptlast ist das Maß für die Rockwellhärte des Werkstoffes. Die Eindringtiefe des Diamantkegels wird direkt mit einer Messuhr, die mit der Prüfspitze verbunden ist, festgestellt. Auf der Skala der Uhr kann man die Härtewerte in Rockwelleinheiten (HRC) unmittelbar ablesen. Dieses Prüfverfahren kommt vor allem bei sehr harten Werkstoffen zum Einsatz. Als weitere Rockwelleindringkörper werden Hartmetallkugeln mit einem Durchmesser von 1,5875 Millimetern (HRB, HRF, HRG) oder 3,175 Millimetern (HRE, HRH und HRK) verwendet.

Der Scherversuch dient der Untersuchung der Belastungsfähigkeit eines Werkstoffs gegen Abscherung. Dazu wird ein definierter Rundstab in eine Schervorrichtung eingespannt und einer ständig wachsenden Scherkraft ausgesetzt, bis dieser abgeschert ist. Die Abscherkraft Fm wird gemessen und auf die beiden Scherflächen S0 aufgeteilt. Daraus ergibt sich die Scherfestigkeit τ.

In der Technik ist es häufig von großer Bedeutung, die Eigenschaften eines verwendeten Materials hinsichtlich seiner Festigkeit, seiner Plastizität bzw. seiner Sprödigkeit, seiner Elastizität und einiger anderer Eigenschaften genau zu kennen. Zu diesem Zweck werden Materialproben im Zugversuch getestet, indem die Probe mit bekanntem Ausgangsquerschnitt in eine Zugprüfmaschine eingespannt und mit einer Zugkraft F belastet wird. Unter Erhöhung der Kraft wird diese dann über der verursachten Längenänderung ?L grafisch dargestellt. Diese Kurve bezeichnet man als Kraft-Verlängerungs-Diagramm.
Um eine Messkurve zu erhalten, die nur von der Art und Struktur des geprüften Materials, also nicht von den geometrischen Abmessungen der Probe abhängt, verwendet man reduzierte Einheiten, d.h. die Längenänderung ?L wird auf die Anfangslänge L₀ und die Kraft F auf den senkrechten Querschnitt S₀ des Körpers im undeformierten Zustand bezogen. Diese jetzt von der Probenform unabhängige Kurve nennt man Spannungs-Dehnungs-Diagramm. Dehnung: (Nenn-)Spannung: , Je nachdem, ob man den Versuch spannungsgeregelt oder dehnungsgeregelt fährt, ist die Spannung bzw. die Dehnung die unabhängige Variable. Es hat sich jedoch eingebürgert, immer die Spannung über der Dehnung aufzutragen. Die Nennspannung bezieht sich immer auf den Ausgangsquerschnitt S₀. Die Wahre Spannung steigt jedoch ab R_m weiter an, da sich die Querschnittsfläche aufgrund von Einschnürung verringert. Dies wird in den meisten Diagrammen falsch dargestellt, weil die wahre Spannung nicht direkt in mit dem Zugversuch ermittelt werden kann. Eine Möglichkeit die wahre Spannung zu ermitteln, ist die gleichzeitige optische Auswertung. Man unterscheidet verschiedene Bereiche im Spannungs-Dehnungs-Diagramm:

• den linear-elastischen Bereich (Proportionalbereich, "Hookesche Gerade"), in welchem die Dehnung der Spannung proportional ist und somit das Hookesche Gesetz gilt
• den nicht-linear elastischen Bereich, in welchem die Verformung noch reversibel ist (elastisch) aber nicht mehr der Spannung proportional ist.
• der plastische Bereich, in welchem die Verformung teilweise plastisch d.h. irreversibel ist. Wenn die Elastizitätsgrenze überschritten wird, entstehen im Bauteil bleibende Deformationen.

Baustähle zeigen einen ausgeprägten Streckgrenzeneffekt, der durch interstitiell eingelagerte Fremdatome, beispielsweise C und N hervorgerufen wird.

Abb.1 schematisches Spannungs/Dehnungs-Diagramm mit ausgeprägter Streckgrenze	Abb.2 schematisches Spannungs/Dehnungs-Diagramm ohne ausgeprägte Streckgrenze
Abb.3 schematisches Feindehnungsdiagramm

Die Streckspannung ist nach EN ISO 527-1 (Bestimmung der Zugeigenschaften bei Kunststoffen) im Spannungs-Dehnungs-Diagramm der erste Spannungswert, bei dem ein Zuwachs der Dehnung ohne Steigerung der Spannung ( ) auftritt. Im allgemeinen wird sie in Megapascal (MPa) angegeben und kann kleiner als die maximale Spannung beim Bruch der Probe sein. Im Gegensatz zur Streckgrenze bei metallischen Werkstoffen findet bei Kunststoffen auch bei Spannungen unterhalb der Streckspannung eine bleibende Verformung statt. Sie ist deshalb keine äquivalente Dimensionierungsgröße. Stattdessen wird dafür häufig die Spannung bei x % Dehnung oder aber ein aus Zeitstandversuchen ermittelter Wert verwendet.

Die Thermische Analyse ist eine Untersuchungsmethode zur Messung von physikalischen und chemischen Eigenschaften von Elementen und Verbindungen.

Einteilung Bei der dynamischen Thermischen Analyse wird der zu untersuchende Stoff langsam, d.h. im Thermodynamischen Gleichgewicht, erhitzt beziehungsweise abgekühlt. Gleichzeitig ermittelt ein Thermoelement ständig die Temperatur. Verfahren der dynamischen Thermischen Analyse sind Thermogravimetrie, Dynamische Differenzkalorimetrie, Differenzthermoanalyse und die Emmissionsgas-Thermoanalyse. Die statische Thermische Analyse wird unter anderem in der Mineralogie gebraucht. Die zu untersuchende Mineralprobe wird dabei über Stunden oder Tage auf eine konstante Temperatur gebracht. Während dieser Zeit wird der Wasser- beziehungsweise Glühverlust erfasst und aufgezeichnet. Auf diese Weise lassen sich Umwandlungspunkte von fest nach flüssig bis gasförmig (Schmelz- und (Siedepunkt) bei Temperaturänderungen ermitteln. (siehe auch: Aggregatzustand) Bedeutung für die Werkstoffkunde Abkühlkurven verschiedener Stoffe Von besonderem Interesse sind bei Metallen, Legierungen und Kunststoffen die Übergänge von fest nach flüssig sowie eventuelle Temperaturänderungen im festen Zustand, da sich auch Umwandlungen des Kristallsystems durch Haltepunkte bemerkbar machen. Kristallsystem-Umwandlungen lassen sich nutzen, um Metalle und Legierungen zu härten. Die Messergebnisse werden in Temperatur-Zeit-Diagramme eingetragen. Die miteinander verbundenen Punkte ergeben die Aufheiz- beziehungsweise Abkühlkurven. Die nebenstehenden Abkühlkurven sind beispielsweise charakteristisch für amorphe Stoffe (1), ein reines Element oder eine eutektische Legierung (Eutektischer Punkt) (2), eine Legierung mit Mischkristallbildung (3) und eine naheutektische Legierung (4) Kurven 2,3 und 4 siehe auch Legierung

Die Universalprüfmaschine, auch Prüfmaschine genannt, wird zur Bestimmung von Spannungs-Dehnungs-Diagrammen bzw. Kennwerten daraus für Werkstoffe verwendet. Im Einzelnen können Zugversuche, Druckversuche oder Biegeversuche durchgeführt werden, wobei Zugversuche am häufigsten sind.

Aufbau:

• Die Zugprüfmaschine besteht im allgemeinen aus einer feststehenden und einer bewegten Traverse, welche mittels einer (bzw.) zwei Spindeln elektrisch oder durch einen Hydraulikzylinder angetrieben wird. Die Traverse wird mit einer definierten Geschwindigkeit (je nach Prüfvorgabe) in eine Richtung bewegt um die Zugprobe die durch Probenhalter zwischen den Traversen gehalten wird zu zerreißen. Dabei werden die Verformung der Probe über den Traversenweg oder einen Dehnungssensor und die benötigte Kraft mit einem Kraftaufnehmer aufgezeichnet. Mit Hilfe der Probenabmessungen können daraus die Spannungen und Dehnungen berechnet werden.

Anforderungen:

• DIN 51220 Allgemeines zur Anforderung an Werkstoffprüfmaschinen und zu deren Prüfung und Kalibrierung
• EN ISO 7500-1 Metalische Werkstoffe - Prüfung von Prüfmaschinen für statische einachsige Beanspruchung Teil 1: Zug- und Druckprüfmaschinen - Prüfung und Kalibrierung
• ISO 5893 Prüfgeräte für Kautschuk und Kunststoffe

Als Verfestigung bezeichnet man die Zunahme der mechanischen Festigkeit eines Werkstoffs durch plastische Verformung. Insbesondere bei Metallen tritt Verfestigung auf, wenn sie, ggf. auch lokal, über die Elastizitätsgrenze hinaus plastisch verformt werden. Im Zugversuch macht sich das dadurch bemerkbar, dass die wahre Spannungs-Dehnungs-Kurve nach Überschreiten der Elastizitätsgrenze nicht horizontal, sondern ansteigend verläuft (siehe Grafik). Eine Verfestigung kann auch lokal durch Kugelstrahlen, Festwalzen und andere mechanische Bearbeitungsverfahren erzeugt werden. Die Verfestigung kommt dadurch zustande, dass bei der plastischen Verformung im Kristallgitter sog. Versetzungen erzeugt und durch das Kristallgitter bewegt werden. Diese Versetzungen können sich an Gitterfehlern oder an anderen Versetzungen aufstauen, so dass ihre Bewegung durch das Kristallgitter gehemmt wird. In Folge dessen steigt die Spannung, die für die weitere plastische Verformung notwendig ist, immer weiter. Wenn sich die Versetzungen im Kristallgitter nicht mehr bewegen können, kommt es zur Werkstofftrennung, zum Bruch.

Der Brinellprüfung sehr ähnlich ist die im Jahr 1925 von Smith und Sandland entwickelte und nach der britischen Flugzeugbaufirma Vickers benannte Härteprüfung, die zur Prüfung harter und gleichmäßig aufgebauter Werkstoffe dient, aber auch zur Härteprüfung an dünnwandigen oder oberflächengehärteten Werkstücken und Randzonen eingesetzt wird. Sie ist in der Norm nach DIN EN ISO 6507 geregelt. Im Gegensatz zur Rockwellprüfung wird eine gleichseitige Diamantpyramide mit einem Öffnungswinkel von 136° unter einer festgelegten Prüfkraft in das Werkstück eingedrückt. Aus der mittels eines Messmikroskops festgestellten Länge der Diagonalen des bleibenden Eindrucks wird die Eindruckoberfläche errechnet. Das Verhältnis von Prüfkraft in der Einheit Newton zur Eindruckoberfläche (d in Millimetern) ergibt mit dem Faktor 0,1891 multipliziert die Vickershärte (HV).

Die Härteprüfung nach Vickers ist in drei Bereiche zu unterteilen:
1) Vickers-Härteprüfung --> F>49N
2) Vickers-Kleinkraftprüfung --> 1,961N<F<49N
3) Vickers-Mikrohärteprüfung --> 0,09807N<F<1,961N.

Die Werkstoffprüfung umfasst verschiedenste Prüfverfahren, mit denen das Verhalten und die Werkstoffkenngrößen von normierten Werkstoffproben oder fertigen Bauteilen (Bauteilprüfung) unter mechanischen, thermischen oder chemischen Beanspruchungen ermittelt werden. Ein Werkstoff wird dabei hinsichtlich seiner Reinheit, Fehlerfreiheit oder Belastbarkeit überprüft. Nach der Art werden die gängigen Prüfverfahren in zwei Hauptbereiche aufgeteilt: zerstörende und zerstörungsfreie Werkstoffprüfung. Die auf die Abschätzung der Lebensdauer von Produkten und Werkstoffen gerichteten Prüfungen fallen in das Gebiet der Umweltsimulation.

Der Zeitstandversuch (engl. creep rupture test) ist ein Werkstoffprüfverfahren zur Ermittlung des Werkstoffverhaltens bei konstanter Prüftemperatur oberhalb Raumtemperatur und nach längerem Einwirken einer konstanten Zugkraft (DIN 50118). Man unterscheidet zwischen dem unterbrochenen und dem nicht unterbrochenen Zeitstandversuch

Die Zug-Druck-Torsion-Prüfung (ZDT-Prüfung) ist ein Prüfverfahren, um die fasersenkrechten Festigkeiten und die Schubfestigkeit von Faser-Kunststoff-Verbunden zu ermitteln. Bei der Prüfung können Quer- und Schubbelastung kombiniert werden, so dass der Einfluss der unterschiedlichen Belastungarten auf die Festigkeiten ermittelt werden kann.
Als Prüfkörper werden dünnwandige rohrförmige Körper verwendet.

Durchführung Die Prüfköper werden an den aufgedickten Enden eingespannt. Die Prüfmaschine tordiert den rohrförmigen Körper, wobei ein konstanter Schubspannungszustand in der Rohwand entsteht. Gleichzeitig kann der Rohrkörper mit axialem Druck oder Zug beaufschlagt werden. Dadurch wird dem Schubspannungszustand Querdruck oder Querzug überlagert. Mittels Dehnungsmesstreifen oder Kraft- und Momentenaufnehmer werden die ertragenen Dehnungen bzw. Lasten aufgezeichnet. Hintergrund der Prüfung Bei Faser-Kunststoff-Verbunden hängt der ertragbare Spannungszustand von der anliegenden Spannungskombination ab. Daher müssen unterschiedliche Kombinationen von Querzug und Schub bzw. Querdruck und Schub überprüft werden. Mit der ZDT-Prüfung lassen sich somit die matrixdominierten Grundfestigkeiten einer UD-Schicht direkt ermitteln. Neben der reinen Bruchlast lassen sich mit der ZDT-Prüfung auch Elastizitätsgrößen bestimmen. Mit Flachzugproben oder Proben in Schubrahmen können kombinierte Spannungsfälle praktisch nicht ermittelt werden. Zusätzlich besteht bei Flachproben die Problematik des ungleichmäßigen Spannungszustands in der Klemmung. Dies bedingt oft ein Versagen in der Einspannung und nicht im freien Bereich. Probekörper Die Probekörper bestehen aus einer reinen Umfangswicklung der zu prüfenden Faser-Matrix-Kombination. An den Enden werden Verdickungen angewickelt, die das Einspannen vereinfachen. Die Probekörper lassen sich im Nasswickelverfahren oder auch aus Prepreg herstellen. Im Nasswickelverfahren sind sowohl warm- als auch kalthärtende Harze einsetzbar. Damit ist die ZDT-Prüfung nicht auf einen bestimmten Matrix- oder Fasertyp beschränkt. Ergebnisse Ergebnis der ZDT-Prüfung. Punkte stellen die Mittelwerte der gemessenen maximalen Spannungen dar. Die Darstellung wird als Bruchkurve bezeichnet. Die Ergebnisse der Prüfung werden zumeist auf Spannungen umgerechnet und im Raum aufgezeichnet. Interpoliert man die Messpunkte erhält man eine sogenannte Bruchkurve. An dieser Bruchkurve lassen sich die jeweils maximal ertragbaren Spannungskombinationen ablesen.

Die Zugfestigkeit ist die Spannung, die im Zugversuch aus der maximal erreichten Zugkraft bezogen auf den ursprünglichen Querschnitt der Probe errechnet wird. Das Formelzeichen der Zugfestigkeit ist R_m. Dimension der Zugfestigkeit ist Kraft pro Fläche. Häufig verwendete Maßeinheiten sind N/mm² oder MPa (MegaPascal). Im Spannungs-Dehnungs-Diagramm kann die Zugfestigkeit aus der maximal erreichten Kraft direkt errechnet werden. Die aus dem Spannungs-Dehnungs-Diagramm abgelesenen Spannungswerte (Zugfestigkeit, Streckgrenze) entsprechen nicht der wahren Spannung im Material. Dies liegt daran, dass bei der Berechnung der Spannung die Zugkraft auf den Ausgangsquerschnitt bezogen wird. Der wirkliche Querschnitt ist aber bei der Zugprobe geringer als der Ausgangsquerschnitt (Querkontraktion, Einschnürung). Bei einer elastisch-plastischen Verformung (bei Proben aus duktilen Werkstoffen) ist diese Verformung (Verlängerung und Einschnürung) nach dem Test sicht- und messbar. Oft wird unterschieden zwischen der "wahren" Spannung s_wahr und der "nominellen" Spannung s_nominell ("Ingenieur-Spannung"). Die Zugfestigkeit ist also nicht die wahre Spannung in der Probe im Augenblick des Bruchs, sondern ist geringer. Das wahre Spannungsmaximum entsteht im Einschnürbereich der Probe. In diesem Bereich erhöht sich die Verformung und allenfalls die Verfestigung bis zum Bruch. Im sogenannten instrumentierten Zugversuch wird der Probenquerschnitt kontinuierlich gemessen und die Kraft auf den wahren Querschnitt bezogen. So untersuchte Proben zeigen einen kontinuierlichen Anstieg der wahren Spannung bis zum Bruch. Der auf diese Weise ermittelte Wert ist jedoch nur von theoretischer Bedeutung. Die Zugfestigkeit wurde in der Vergangenheit häufig für die Charakterisierung von Werkstoffen verwendet. Ein Beispiel hierfür ist die Bezeichnung von Baustählen. So wurde der Stahl 52 (St52, heute S355) nach seiner Zugfestigkeit von 52 kp/mm² (510 N/mm²) bezeichnet. Aufgrund der Harmonisierung der europäischen und internationalen Normen erfolgt heute die Bezeichnung vieler Stähle nach der Streckgrenze, die aus konstruktiver Sicht ein besserer Kennwert für die Belastbarkeit eines Werkstoffs ist.

Der Zugversuch ist ein genormtes Standardverfahren der Werkstoffprüfung zum Messen der Zugfestigkeit und weiterer Werkstoffkennwerte. Er zählt zu den quasistastischen Prüfverfahren. Im Zugversuch werden Proben mit kleiner Querschnittsfläche bis zum Bruch gedehnt, wobei die Dehnung gleichmäßig, stoßfrei und mit einer geringen Geschwindigkeit aufgebracht wird. Die Prüfmaschine misst während des Versuchs laufend die Kraft und die Verschiebung. Aus der Kraft wird mit der Querschnittsfläche der undeformierten Probe die Spannung berechnet, aus der Verschiebung bestimmt man die Dehnung. Das Ergebnis des Zugversuchs ist das Spannungs-Dehnungs-Diagramm. Daraus können Werkstoffkenngrößen abgelesen werden:

• E: Elastizitätsmodul (kurz E-Modul)
• Elastizitätsgrenze
  • R_p: Dehngrenze
  • R_e: Streckgrenze
    • R_eL: Untere Streckgrenze
    • R_eH: Obere Streckgrenze
• R_m: Zugfestigkeit
• A_g: Gleichmaßdehnung
• A_{5 bzw. 10}: Bruchdehnung
• Z: Brucheinschnürung

Die erste steile Gerade steht für die elastische Dehnung, dh. die Verformung bis R_p kann rückgängig gemacht werden. Daran lehnt sich die sogenannte Hookesche Gerade an. Mit diesem Hintergrund werden auch die Beträge für die Gleichmaßdehnung und die Bruchdehnung nicht senkrecht zur Dehnungsachse abgetragen: A_{5 bzw. 10} umfasst alles von 0% bis A_{5 bzw. 10}. Die Gleichmaßdehung ist entsprechend zu finden unter dem Punkt der Einschnürung. Um die elastische Dehnung zu bekommen, wird beim Bruch{x} der Wert senkrecht zur Achse abgetragen und Dieser von A abgezogen. Die Proben sind für verschiedene Werkstoffe und Materialien, aus denen die Werkstoffe entnommen werden, in der DIN 50 125 definiert. Für die Bruchdehnung wird bei sog. Proportionalstäben (bei denen die Messlänge ein festes Vielfaches des Durchmessers ist) der Proportionalitätsfaktor im Index angegeben, bei anderen Proben die Messlänge. Im instrumentierten Zugversuch wird kontinuierlich der Istquerschnitt der Probe gemessen und daraus die wahre Spannung k_f berechnet. Für den Maschinenbau ist aber im wesentlichen das elastische Verhalten des Materials interessant, weshalb oftmals die Angaben aus dem nicht instrumentierten Versuch ausreichen. Der Zugversuch wird vornehmlich bei metallischen und synthetischen (Kunststoffe) Werkstoffen verwendet und ist unterschiedlich genormt. Eine Auswahl aktueller Normen zum Zugversuch:

• Metalle: EN 10002-1 und -5, ISO 6892, ASTM E 8, ASTM E 21, DIN 488, DIN 50154;
• Kunststoffe: ISO 527, ASTM D 638;
• Faserverstärkte Verbundwerkstoffe: ISO 14129 ;
• Weichelastische Schäume: ISO 1798, ASTM D 3574;
• Hartschäume: ISO 1926, ASTM D 1623;
• Gummi: ISO 37, ASTM D 412, DIN 53504;
• Klebstoffe: ISO 6922;
• Papier: ISO 3781, TAPPI T 456, ISO 1924, TAPPI T 494;
• Fasern und Filamente: ISO 5079, ASTM D 3822;
• Garne und Zwirne: ISO 2062, ASTM D 2256, ISO 6939;
• Textile Flächengebilde: ISO 13934-1;
• Vliesstoffe: ISO 9073-3.

Bei technisch relevanten keramischen Werkstoffen ist häufig nur eine minimale Dehnung bei sehr großen Kräften zu beobachten, weshalb sie als zugfest bis zum Bruch gelten. Zum Testen der Zugfestigkeit keramischen Werkstoffen wird daher der Berstversuch verwendet.