Einführung

In der Technik sind Werkstoffe verschiedenen Arten von Belastungen ausgesetzt. Die Belastungen, denen Werkstoffe ausgesetzt sein können, lassen sich als Zug-, Druck-, Biege-, Scher- oder Torsionsbelastung auflisten. Dabei können diese Belastungen statisch oder dynamisch unterschiedlich sein. Das Material muss unter Umständen einer oder mehreren dieser Belastungen gleichzeitig standhalten. In diesem Fall muss man wissen, welches Material unter welchen Bedingungen zu verwenden ist. Um die Werkstoffe zu gruppieren, werden ihre Reaktionen unter bestimmten Belastungen mit Tests beobachtet und so die mechanischen Eigenschaften der Werkstoffe ermittelt.

Die Prüfungen zur Ermittlung der Elastizitätseigenschaften können in statische und dynamische Prüfungen unterteilt werden. Damit eine Prüfung statisch ist, muss die Kraft mit einer maximalen Frequenz von 1 Hz, konstant und nur ein einziges Mal aufgebracht werden. In diesem Fall ist die Spannung konstant und das Dehnungsverhältnis ist bei der statischen Prüfung kleiner als 0,25. Dynamische Prüfungen werden für diese Art von Belastungen verwendet, da statische Prüfungen kein adäquates Modell für sich plötzlich ändernde Belastungen darstellen können. Bei der dynamischen Prüfung ist die Belastung variabel und die Probe wird sinusförmig verformt. Diese Prüfungen können auch bei hohen oder niedrigen Temperaturen durchgeführt werden. Als Ergebnis der dynamischen Prüfungen erhält man Informationen über Härte und Dämpfung. Ermüdungsprüfungen können als ein Unterzweig der dynamischen Prüfungen betrachtet werden. Die Belastung wird zyklisch aufgebracht. Diese Tests werden mit Zug-Zug-, Druck-Druck- oder Druck-Umkehr-Zug-Zyklen durchgeführt. Als Ergebnis der Ermüdungsprüfung kann die Lebensdauer der Materialien bestimmt werden. Auch die Ermüdungsfestigkeit und die Rissbeständigkeit werden mit dem Ermüdungsversuch bestimmt.

 

Zugversuch

Die Zugprüfung ist eine der häufigsten Prüfungen in der Technik zur Bestimmung der Festigkeitseigenschaften von Materialien. Sie dient zur Bestimmung der mechanischen Eigenschaften isotroper Werkstoffe. Diese Prüfung basiert im Wesentlichen auf der Anwendung einer Zugkraft auf die Probe von gegenüberliegenden Seiten in der gleichen Richtung und der Überwachung der Spannung auf das Material, bis das Material bricht. Als Ergebnis des Zugversuchs können die Streckgrenze, die maximale Zugfestigkeit, die Dehnbarkeit, der Elastizitätsmodul, der Schermodul und die Poissonzahl des Materials ermittelt werden.

Spannungs-Dehnungs-Kurven

Spannungs- und Dehnungskurven

Die Nennzugspannung, die während der Prüfung auf das Material einwirkt, ist wie folgt:

Dabei ist F die Zugkraft und A_0 die Querschnittsfläche unter Spannung. Und die Dehnung ist definiert als;

Dabei ist L_0 die Ausgangslänge des Probekörpers und Δ_L die Dehnung des Materials nach der Prüfung.

Mit den aus der Prüfung abgeleiteten Werten erhält man die Spannungs-Dehnungs-Kurve. Diese Kurve gibt Aufschluss über die Bruchgrenze, die Streckgrenze, die maximale Zugfestigkeit und den Zustand der Sprödigkeit-Duktilität des Materials. Ein weiterer Vorteil ist, dass sie unabhängig von den Abmessungen des Materials Informationen liefert.

Das obige Diagramm zeigt die Spannungs-Dehnungskurve eines spröden Materials.

Bei den meisten Kurven ist der Anfangsteil linear. Den Wert der Streckgrenze erhält man auf der Kurve, wenn man von dem Punkt, an dem die Dehnung der Spannungs-Dehnungs-Kurve 0,2% beträgt, eine Kurve parallel zur Steigung der Kurve zieht. Mit Hilfe der Streckgrenze lässt sich die maximale Spannung bestimmen, die ein Material ohne bleibende Schäden aushalten kann. Bis zu diesem Punkt befindet sich das Objekt im elastischen Bereich. Danach geht das Material in den plastischen Bereich über, in dem die einwirkenden Kräfte zu einer dauerhaften Schädigung führen.

Streckspannung

Die Steigung der imaginären Linie, die wir zur Bestimmung der Streckgrenze ziehen, ergibt den Elastizitätsmodul, eine wichtige Materialeigenschaft. Der Elastizitätsmodul wird wie folgt berechnet:

Die folgende Gleichung stellt die Poissonzahl dar, die das Negativ des Verhältnisses von horizontaler Verschiebung zu vertikaler Verschiebung ist:

Test

Die meisten Querschnitte der im Zugversuch verwendeten Proben sind in der Abbildung dargestellt. Die Proben können als Platte oder als Zylinder geformt werden.

Je nach Material und Empfindlichkeitsgrad der Messung können verschiedene Einspannmethoden verwendet werden. Jede Bindungsart hat ihre eigenen Vor- und Nachteile.

Kompressionstest

Der Druckversuch zeigt, wie sich Materialien verhalten, wenn sie zusammengedrückt oder zerdrückt werden. Die Prüfung dauert in der Regel so lange, bis der Stoff zerbricht oder bis zu einem vorher festgelegten Grenzwert. Auf diese Weise werden die Belastung, der das Material bis zum Zerreißen standhält, und das Ausmaß seiner Zersetzung bis zu diesem Punkt berechnet. Um ein Material zu prüfen, wird es häufig erhitzt oder abgekühlt und in viele Richtungen einer Druckkraft ausgesetzt. Die Prüfungen können jedoch auch unter anderen Bedingungen durchgeführt werden.

Materialien mit hoher Zugfestigkeit haben im Allgemeinen eine geringe Druckfestigkeit. Aus diesem Grund werden diese Materialien durch Druckprüfungen untersucht. Bei den Materialien, an denen die meisten Druckprüfungen durchgeführt werden, handelt es sich im Allgemeinen um spröde Materialien, z. B. Verbundwerkstoffe, Beton, Holz, Metall und Ziegel, Polymere, Kunststoffe und Schaumstoffe.

Als Ergebnis des Druckversuchs erhält man eine Kraft-Dehnungs-Kurve. Die Kraft wird dann in Spannung umgewandelt, um eine Spannungs-Dehnungs-Kurve zu erstellen. Diese Kurve ist der Spannungs-Dehnungskurve im Zugversuch sehr ähnlich. Nur die Achsen liegen in der Richtung, in der die Verkürzung stattfindet.

Druckspannung - % Druckverformung

Die Berechnungen für den Zugversuch gelten auch für den Druckversuch. Die Druckfestigkeit wird wie folgt ausgedrückt;

Zerkleinern

Die Quetschung wird verwendet, um auszudrücken, wie stark das Material während der Prüfung verkürzt wurde.

Drücken Sie die Zerkleinerung aus.

Anschwellen

Unter Quellung versteht man die Vergrößerung des Querschnitts des geprüften Materials. Duktile Materialien sind anfälliger für Quellung. Sie wird formalisiert durch:

Test

Spröde Materialien sind in der Regel Gegenstand von Druckprüfungen. Die Druckeigenschaften von steifen Schaumstoffen werden in der ISO 844 als Beispiel aus den Normen genannt. In dieser Norm werden die Werte für die Querschnittsfläche und die Formen, die Temperatur-Feuchtigkeits-Werte und die zu erwartenden Ergebnisse der Proben angegeben. Die Spannungen werden in kPa angegeben.

Der in der Norm angegebene Wert für die Druckelastizität lautet wie folgt:

Dabei ist σ_e die Kraft am Ende des konventionellen elastischen Bereichs, h_0 die anfängliche Dicke des Materials und x_e der Weg, den die die Spannung erzeugende Kraft nimmt.

Im Folgenden sind einige der für Druckprüfungen entwickelten Normen aufgeführt:

ASTM D575-91 - Standard Test Methods For Rubber Properties In Compression

ASTM E9-19 - Standardprüfverfahren für die Druckprüfung von metallischen Werkstoffen bei Raumtemperatur

TS EN ISO 14126 - Faserverstärkte Kunststoffverbundwerkstoffe - Bestimmung der Druckeigenschaften in Richtung der Ebene

 

Beschreibung der Technik

Die Bewertung des mechanischen Verhaltens einer Probe unter Zug- und Druckbedingungen kann durchgeführt werden, um grundlegende Daten zu den Materialeigenschaften zu erhalten, die für die Konstruktion von Bauteilen und die Bewertung der Betriebsleistung entscheidend sind. Die Anforderungen an die Zug- und Druckfestigkeitswerte und die Methoden zur Prüfung dieser Eigenschaften sind in verschiedenen Normen für eine Vielzahl von Werkstoffen festgelegt. Die Prüfungen können an bearbeiteten Materialproben oder an maßstabsgetreuen Modellen tatsächlicher Bauteile durchgeführt werden. Diese Prüfungen werden in der Regel mit einem universellen mechanischen Prüfgerät durchgeführt.

Ein Zugversuch ist ein Verfahren zur Bestimmung des Verhaltens von Werkstoffen unter axialer Zugbelastung. Die Prüfungen werden durchgeführt, indem die Probe in die Prüfvorrichtung eingespannt wird und dann durch Trennen der Traversen der Prüfmaschine eine Kraft auf die Probe ausgeübt wird. Die Geschwindigkeit der Traversen kann variiert werden, um die Geschwindigkeit der Dehnung in der Probe zu steuern. Die Daten der Prüfung werden zur Bestimmung der Zugfestigkeit, der Streckgrenze und des Elastizitätsmoduls verwendet. Die Messung der Probenabmessungen nach der Prüfung liefert auch Werte für die Flächenverkleinerung und die Dehnung, um die Duktilität des Materials zu charakterisieren. Zugprüfungen können an vielen Materialien durchgeführt werden, darunter Metalle, Kunststoffe, Fasern, Klebstoffe und Gummi. Die Prüfungen können bei niedrigen und hohen Temperaturen durchgeführt werden.

Ein Druckversuch ist eine Methode zur Bestimmung des Verhaltens von Materialien unter Druckbelastung. Druckprüfungen werden durchgeführt, indem die Probe zwischen zwei Platten eingelegt wird und dann eine Kraft auf die Probe ausgeübt wird, indem die Traversen zusammengeschoben werden. Während der Prüfung wird die Probe zusammengedrückt, und die Verformung in Abhängigkeit von der aufgebrachten Last wird aufgezeichnet. Die Druckprüfung wird zur Bestimmung der Elastizitätsgrenze, der Proportionalitätsgrenze, der Streckgrenze, der Streckgrenze und (bei einigen Materialien) der Druckfestigkeit verwendet.

 

Analytische Informationen

Druckfestigkeit - Die Druckfestigkeit ist die maximale Druckspannung, die ein Material aushalten kann, ohne zu brechen. Spröde Materialien brechen bei der Prüfung und haben einen bestimmten Druckfestigkeitswert. Die Druckfestigkeit duktiler Materialien wird durch den Grad ihrer Verformung während der Prüfung bestimmt.

Elastische Grenze - Die Elastizitätsgrenze ist die maximale Spannung, die ein Material aushalten kann, ohne dass es sich nach Wegfall der Spannung dauerhaft verformt.

Dehnung - Die Dehnung ist der Betrag der dauerhaften Verlängerung einer Probe, die in einem Zugversuch gebrochen ist.

Module der Elastizität - Der Elastizitätsmodul ist das Verhältnis von Spannung (unterhalb der Proportionalitätsgrenze) zu Dehnung, d. h. die Steigung der Spannungs-Dehnungs-Kurve. Er gilt als das Maß für die Steifigkeit eines Metalls.

Proportionaler Grenzwert - Die Proportionalitätsgrenze ist die größte Spannung, die ein Material erreichen kann, ohne von der linearen Beziehung der Spannungs-Dehnungs-Kurve abzuweichen, d. h. ohne sich plastisch zu verformen.

Verkleinerung der Fläche - Die Flächenverkleinerung ist die Differenz zwischen der ursprünglichen Querschnittsfläche einer Zugprobe und der kleinsten Fläche nach dem Bruch nach der Prüfung.

Stämme - Dehnung ist die Veränderung der Größe oder Form eines Materials aufgrund von Krafteinwirkung.

Fließgrenze - Die Streckgrenze ist die Spannung in einem Material (in der Regel weniger als die maximal erreichbare Spannung), bei der eine Zunahme der Dehnung ohne Zunahme der Spannung auftritt. Nur bestimmte Metalle haben eine Streckgrenze.

Streckgrenze - Die Streckgrenze ist die Spannung, bei der ein Material eine bestimmte Abweichung von einer linearen Spannungs-Dehnungs-Beziehung aufweist. Für Metalle wird häufig ein Offset von 0,2% verwendet.

Zugfestigkeit (Ultimate Tensile Strength) - Die Zugfestigkeit (UTS) ist die maximale Zugspannung, die ein Material aushalten kann, ohne zu brechen. Sie wird berechnet, indem man die während des Zugversuchs aufgebrachte Höchstlast durch die ursprüngliche Querschnittsfläche der Probe dividiert.

 

Typische Anwendungen

Zug und Druck Eigenschaften des Rohmaterials zum Vergleich mit den Produktspezifikationen

Beschaffung von Materialeigenschaftsdaten für die Finite-Elemente-Modellierung oder andere Produktdesigns für das gewünschte mechanische Verhalten und die Betriebsleistung

Simulation der mechanischen Leistung von Bauteilen im Betrieb

 

Beispielhafte Anforderungen

Standard-Zugversuche an Metallen und Kunststoffen werden an speziell vorbereiteten Prüfkörpern durchgeführt. Bei diesen Proben kann es sich um bearbeitete zylindrische Proben oder flache Plattenproben (Dogbone) handeln. Die Prüfmuster müssen ein bestimmtes Verhältnis von Länge zu Breite oder Durchmesser im Prüfbereich (DMS) aufweisen, um wiederholbare Ergebnisse zu erzielen und die Norm zu erfüllen Prüfverfahren Anforderungen. Röhrenförmige Produkte, Fasern und Drähte können mit speziellen Vorrichtungen, die ein optimales Greifen und eine optimale Fehlererkennung ermöglichen, in voller Größe auf Zug geprüft werden.

Die am häufigsten für Druckprüfungen verwendete Probe ist ein rechter Kreiszylinder mit flachen Enden. Es können auch andere Formen verwendet werden, die jedoch spezielle Spannvorrichtungen erfordern, um ein Ausknicken zu vermeiden. Spezielle Konfigurationen für Bauteilprüfungen oder Betriebssimulationen sind abhängig von der zu verwendenden Prüfmaschine.

Der Unterschied zwischen Zugprüf- und Druckprüfgeräten

Bei Zugversuchen übt die Prüfmaschine eine Zugkraft aus, die die Zugproben auseinanderzieht. Bei der Zugprüfung von Kunststoffen wird das Prüfmuster auseinandergezogen, um die Zugfestigkeit und andere Eigenschaften wie Steifigkeit und Streckgrenze zu messen. Es gibt mehrere gängige Industrienormen, die vereinbarte Methoden für Kunststoff-Zugprüfungen vorsehen. ASTM D638 und ISO 527-2 weisen beide ähnliche, aber unterschiedliche standardisierte Probengeometrien und -abmessungen auf. Für diese Prüfungen sind Zugspannzeuge erforderlich, die die Probe greifen und sich anpassen, wenn sie sich während des Prüfverfahrens ausdünnt. Dieses Zubehör unterscheidet sich von Druckvorrichtungen. 

Bei Kompressionsprüfungen übt die Prüfmaschine eine Druck- oder Kompressionslast oder -kraft aus, um das Prüfmuster zu quetschen, bis es bricht oder zerdrückt wird. Kompressionsprüfungen eines Polymerstrukturschaumstoffs werden abgedeckt durch ASTM D1621 in der die Art der Druckplatten und des verwendeten Deflektometers angegeben ist. Das Prüfmuster wird zwischen Druckprüfplatten platziert, bis die Zellstruktur versagt oder bricht.

Eine Universalprüfmaschine kann sowohl Zug- als auch Druckprüfungen durchführen. Die Traverse kann zum Ziehen oder Drücken des Prüfmusters verwendet werden, das sich zwischen der Grundplatte und dem beweglichen Kopf befindet.

Die Zugprüfvorrichtungen oder Spannzeuge und Dehnungssensoren (bekannt als Extensometer) können keine Druckprüfungen durchführen. Auch die Zugspannzeuge sind speziell auf die genaue Geometrie und die Abmessungen der Prüfkörper abgestimmt. Die Druckprüfplatten und Deflektometer sind ebenfalls nur für Druckprüfungen geeignet, so dass in diesem Fall beide Zubehörteile benötigt werden.

 

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