Zugfestigkeit

Was gibt die Zugfestigkeit an?

Die Zugfestigkeit Rm (auch Reißfestigkeit) ist ein Werkstoffkennwert für die Bewertung des Festigkeitsverhaltens. Die Zugfestigkeit (englisch: tensile strength) bezeichnet die maximale mechanische Zugspannung, mit der eine Probe belastet werden kann. Beim Überschreiten der Zugfestigkeit versagt der Werkstoff: Die Aufnahme von Kräften nimmt ab, bis die Materialprobe schließlich reißt. Allerdings verformt sich der Werkstoff bereits vor dem Erreichen der Zugfestigkeit plastisch, d.h. bleibend.

Die Zugfestigkeit Rm wird mit Hilfe des Zugversuchs bestimmt (z.B. nach der Normenserie ISO 6892 (für metallische Werkstoffe) oder nach der Normenserie ISO 527 (für Kunststoffe und Composites)). 
Sie berechnet sich aus der maximal erreichten Zugkraft Fm und der Probenquerschnittsfläche zu Beginn des Zugversuches zu:  
Zugfestigkeit Rm = maximale Zugkraft Fm / Probenquerschnittsfläche S0

Die Zugfestigkeit wird in MPa (Megapascal) oder N/mm² angegeben. 

Zugfestigkeit Rm beim Zugversuch

Im Spannung-Dehnung-Diagramm (auch Spannung-Dehnung-Kurve) werden die Zugspannung an der Probe über ihre relative Längenänderung im Zugversuch aufgetragen.

Aus dieser Kurve können die verschiedenen Kennwerte für den zu prüfenden Werkstoff bestimmt werden; beispielsweise das elastische Verhalten oder eben die Zugfestigkeit. Im Spannung-Dehnung-Diagramm ist die Zugfestigkeit der maximale Spannungswert, der beim Zugversuch nach dem Wiederanstieg der Zugspannung erreicht wird.

Zugfestigkeit Rm für unterschiedliches Werkstoffverhalten

Zugfestigkeit bei unterschiedlichen Werkstoffen

Im Bild links werden im Spannung-Dehnung-Diagramm Beispiele für unterschiedliche Werkstoffe mit ihren Kurven und ihren Zugfestigkeiten Rm dargestellt.

Zugfestigkeit mit hoher Verfestigung (1) und mit sehr geringer Verfestigung (2) nach der Streckgrenze

Die Zugfestigkeit bei unterschiedlicher Material-Verfestigung

Für metallische Werkstoffe mit ausgeprägter Streckgrenze ist die Höchstzugkraft als höchste erreichte Kraft nach der oberen Streckgrenze definiert. Die höchste Zugkraft nach Überschreiten der Streckgrenze kann bei schwach verfestigenden Werkstoffen auch unterhalb der Streckgrenze liegen, d.h. die Zugfestigkeit ist in diesem Fall kleiner als der Wert für die obere Streckgrenze.

Im Bild links wird im Spannung-Dehnung-Diagramm eine Kurve mit hoher Verfestigung (1) und mit sehr geringer Verfestigung (2) nach der Streckgrenze dargestellt.

Für Kunststoffe mit Streckpunkt und nachfolgendem Spannungsfall entspricht dagegen die Zugfestigkeit der Spannung am Streckpunkt.

Weitere Kennwerte zur Bewertung der Festigkeitseigenschaften

Für die Bewertung der Festigkeitseigenschaften werden neben der Zugfestigkeit auch obere und untere Streckgrenzen und Dehngrenzen sowie Bruchfestigkeiten bzw. Reißfestigkeiten ermittelt.

Mit Streckgrenze wird allgemein die Spannung beim Übergang von der elastischen in die plastische Verformung bezeichnet. Sie ist der Oberbegriff für Elastizitätsgrenze, obere und untere Streckgrenze (im Zugversuch), Quetschgrenze oder Stauchgrenze (Druckversuch), Biegegrenze (Biegeversuch) oder Verdrehgrenze (Torsionsversuch).

Dehngrenzen dagegen sind Spannungen, die schon eine bestimmte bleibende oder auch die Gesamtdehnung beinhalten. Sie werden bei metallischen Werkstoffen zur Kennzeichnung des stetigen Übergangs vom elastischen in den plastischen Bereich verwendet.

Der Begriff Fließgrenze ist in der Rheologie gebräuchlich und bezeichnet den Spannungswert, ab dem ein Fließen des Werkstoffes (vor allem bei Kunststoffen) einsetzt. Das Fließen ist dadurch gekennzeichnet, dass mit Überschreiten der Fließgrenze eine plastische, also irreversible Verformung des Werkstoffes stattfindet.

Nach Erreichen der Höchstkraft Fm nimmt bei vielen Werkstoffen mit zunehmender Dehnung die Kraft und damit die nominelle Zugspannung ab, bis die Probe bricht bzw. reißt. Die auf die Anfangsquerschnittsfläche bezogene Bruchkraft wird auch als Bruch- oder Reißfestigkeit bezeichnet. Sie ist insbesondere für Kunststoffe eine wichtige Kenngröße. Bei spröden metallischen Werkstoffen, Elastomeren oder auch zähen Kunststoffen ohne Streckgrenze bzw. Streckpunkt entspricht häufig die Reißfestigkeit der Zugfestigkeit.

Beispielwerte für die Zugfestigkeit von metallischen Werkstoffen

­­­­­ Werkstoffname   Werkstoff Nr.     alte Bez. Rm Rp0,2

S235JR 1,0037 St37-2 360 235

S275JR 1,0044 St44-2 430 275

S355J2G3 1,0570 St52-3N 510 355

C22E 1,1151 Ck22 500 340

28Mn6 1,1170 28Mn6 800 590

C60E 1,1221 850 580

X20Cr13 1,4021 750 550

X17CrNi16-2 1,4057 750 550

X5CrNi18-10 1,4301 V2A 520 210

X2CrNiMo17-12-2 1,4404 V4A 520 220

X2CrNiMoN17-13-3 1,4429 580 295

30CrNiMo8 1,6580 1250 1050

34CrMo4 1,7220 34CrMo4 1000 800

42CrMo4 1,7225 1100 900

S420N 1,8902 StE420 520 420

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