Streckgrenze, obere und untere

Was beschreibt die Streckgrenze?

Die Streckgrenze Re (yield strength) ist ein Werkstoffkennwert und wird mit Hilfe des Zugversuchs (z.B. Normenserie ISO 6892 (für metallische Werkstoffe) oder Normenserie ISO 527 (für Kunststoffe und Composite)) ermittelt. Die Streckgrenze wird in MPa (Megapascal) oder N/mm² angegeben.

Häufig kann eine obere Streckgrenze ReH und eine untere Streckgrenze ReL bestimmt werden.

Die obere Streckgrenze bezeichnet die Spannung, bis zu der bei einem Werkstoff bei Zugbeanspruchung keine dauerhafte plastische Verformung auftritt. Der Werkstoff verformt sich zwar, doch nach dem Zurücknehmen der Zugspannung kehrt er wieder in die ursprüngliche Form zurück. Bei Überschreiten der oberen Streckgrenze beginnt die plastisch, also bleibende Formveränderung; im Zugversuch wird die Probe irreversibel verlängert.

Aus der Streckgrenze Re und der Zugfestigkeit Rm kann das Streckgrenzenverhältnis berechnet werden:
Re / Rm

Das Streckgrenzenverhältnis ist ein Maß für die Kaltverfestigung (strain hardening) bis zur Zugfestigkeit. Das Streckgrenzenverhältnis gibt damit an, wie viel Zugspannungsspielraum für eine Konstruktion zur Verfügung steht, bis das Versagen des Werkstoffes deutlich einsetzt.  

Oftmals ist die Streckgrenze bei Werkstoffen nicht ausgeprägt und somit im Zugversuch nicht eindeutig zu ermitteln. In diesen Fällen werden dann die sogenannten Ersatzstreckgrenzen oder Dehngrenzen bestimmt. In der Regel wird die Dehngrenze bei 0,2 % plastischer Dehnung bestimmt, daher auch die Bezeichnung der Kenngröße mit Rp 0,2.

Streckgrenze Re beim Zugversuch

Obere Streckgrenze ReH

Als obere Streckgrenze ReH wird die größte Spannung vor ihrem deutlichen ersten Abfall bezeichnet. Ab diesem Punkt wird der Werkstoff plastisch verformt. Bei stark ausgeprägten Streckgrenzen beginnt ein Fließen des Werkstoffes wobei die Spannung leicht zurückgeht, die Dehnung aber weiter zunimmt. Die während des Fließens geringste Zugspannung entspricht der unteren Streckgrenze ReL. Dieser Effekt tritt ausschließlich bei nichtlegierten oder niedriglegierten Stählen auf.

Die obere Streckgrenze ist die höchste Zugspannung vor dem Fließen und ist durch die Metallzugnorm ISO 6892-1 wie folgt definiert: Nach Erreichen des Spannungsmaximums muss eine Spannungsabnahme von mindestens 0,5 % erfolgen und ein nachfolgendes Fließen von mindestens 0,05 % ohne dass die Zugspannung erneut die obere Streckgrenze überschreitet.    

Obere Streckgrenze berechnen

Die obere Streckgrenze ReH wird aus dem Spannung-Dehnung-Diagramm des Zugversuchs bestimmt: 

Obere Streckgrenze ReH = Kraftmaximum bei der oberen Streckgrenze FeH / Probenanfangsquerschnitt S0

Untere Streckgrenze ReL

Die untere Streckgrenze ReL ist die kleinste Spannung im Bereich des Fließens des Werkstoffes im Anschluss an die obere Streckgrenze ReH, wobei Einschwingerscheinungen (z.B. durch die Kraftänderung) nicht berücksichtigt werden dürfen.

Für den Fall, dass keine obere Streckgrenze erkannt wird (der Kraftabfall ist kleiner 0,5 %) oder das Fließen erfolgt bei einer etwa konstanten Kraft über einen größeren Bereich, wird dieser Spannungswert allgemein nur mit Streckgrenze Re bezeichnet.

Untere Streckgrenze berechnen

Die untere Streckgrenze ReL wird aus dem Spannung-Dehnung-Diagramm des Zugversuchs bestimmt:

Untere Streckgrenze ReL = Kraft bei der unteren Streckgrenze FeL / Probenanfangsquerschnitt S0

Was ist die Mindeststreckgrenze?

Die Mindeststreckgrenze ist zum einen der Wert für die minimale Streckgrenze, die für einen bestimmten Werkstoff mit entsprechender Wärmebehandlung stabil erreicht oder überschritten wird, zum anderen ein maximaler Zugspannungswert, der bei der Konstruktion von Bauteilen und Tragwerken zugrunde gelegt werden muss, damit eine dauerhafte Verformung im vorgesehenen Einsatz der Bauteile und Tragwerke sicher vermieden werden kann.

Die Mindeststreckgrenze wird also für den Werkstofflieferanten zum Minimalwert, den es zu erreichen gilt, für den Werkstoffanwender zum Maximalwert, den es bei der Konstruktion nicht zu überschreiten gilt.

Was bedeutet die Streckgrenze bei Stahl?

Die Streckgrenze bedeutet das Ende des elastischen Verhaltens des Werkstoffes und den Beginn des plastischen Verhaltens. Das heißt, dass mit Überschreiten der Streckgrenze der Werkstoff irreversibel, also dauerhaft plastisch, verformt wird.

In aller Regel sind Bauteile und Konstruktionen bei auch nur lokalen oder teilweisen Überschreitungen der Streckgrenze nicht mehr sicher einsetzbar.

Was ist die Dehngrenze Rp0,2?

Die Dehngrenze Rp0,2 ist die Zugspannung im einaxialen Zugversuch, bei der die plastische Extensometer-Dehnung einem Prozentanteil der Extensometer-Messlänge von 0,2 % entspricht.
Beispiel einer 0,2%-Dehngrenze

Kaltgewalzte oder kaltumgeformte Werkstoffe haben keine ausgeprägte Streckgrenze. Für diese Werkstoffe wird in der Regel eine 0,2 %-Dehngrenze (Rp0,2) bestimmt und angegeben. Diese 0,2 %-Dehngrenze kann immer eindeutig aus dem Spannung-Dehnung-Diagramm ermittelt werden (was bei einer oberen Streckgrenze nicht immer der Fall ist).

Die 0,2 %-Dehngrenze ist diejenige Spannung, bei der die Probe eine plastische, also irreversible Dehnung von 0,2 % erfahren hat (bezogen auf die Anfangslänge der Probe).

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