Aluminiumlegierungen 1050, 5052, 5083 und 5754
Verschiedene Aluminiumlegierungen finden in der Technik breite Anwendung. Obwohl Stahl häufiger verwendet wird, hat sich Aluminium aufgrund seiner vielseitigen Eigenschaften…
Beim Verständnis und der Bewertung des mechanischen Verhaltens von Werkstoffen treten die Streckgrenze und die Zugfestigkeit zwei zentrale Eigenschaften hervor, die entscheidende Einblicke liefern. Diese Kennwerte spielen eine wesentliche Rolle bei der Charakterisierung, wie ein Material auf äußere Kräfte reagiert und wie hoch seine Gesamtfestigkeit unter verschiedenen Bedingungen ist.
Die Streckgrenze bezeichnet den Punkt, an dem ein Material aufgrund der einwirkenden Spannung eine bleibende Verformung oder eine deutliche Formänderung erfährt. An dieser Stelle geht das Materialverhalten vom elastischen in den plastischen Bereich über. Die Zugfestigkeit hingegen beschreibt die maximale Spannung, die ein Material aushalten kann, bevor es zerreißt oder bricht. Beide Eigenschaften geben wertvolle Auskunft über die Haltbarkeit eines Werkstoffs, seine Eignung für bestimmte Anwendungen und seine strukturelle Integrität und sind somit grundlegende Bewertungsgrößen in Werkstoffwissenschaft und Technik.
Um zu verstehen, was Streckgrenze und Zugfestigkeit tatsächlich bedeuten und darstellen, ist es wichtig, das Spannungs-Dehnungs-Diagramm und dessen Messmethode zu kennen.
Spannung beschreibt die von außen auf die Moleküle eines Materials wirkenden Kräfte. Befindet sich ein Material in Ruhe, ohne gebogen, geformt oder anderweitig beansprucht zu werden, befinden sich die Moleküle im Gleichgewichtszustand – dem Zustand geringster Energie und geringster Beanspruchung. Sobald jedoch eine äußere Kraft auf das Material einwirkt, versuchen die Moleküle, in ihren Gleichgewichtszustand zurückzukehren. Die Spannung ist somit das Maß für die intermolekularen Kräfte, die die Moleküle aus ihrem Gleichgewichtszustand herausbewegen. Die Spannung berechnet man, indem man die äußere Kraft durch die Fläche teilt, auf die sie wirkt.
Wenn Sie ein Gummiband bis kurz vor den Bruch dehnen und es dann loslassen, ist das Band danach etwas länger als zuvor. Die Dehnung beschreibt diese Verformung und wird berechnet, indem man die ursprüngliche Länge von der gedehnten Länge abzieht und das Ergebnis durch die Ursprungslänge teilt.
Durch das Aufzeichnen mehrerer Spannungs- und Dehnungswerte lässt sich eine Grafik erstellen, die zeigt, wie sich die Dehnung mit zunehmender Spannung am Material verändert. Diese Darstellung nennt man das Spannungs-Dehnungs-Diagramm, das uns hilft, das Verhalten verschiedener Werkstoffe unter unterschiedlichen Belastungen zu verstehen. Sowohl die Streckgrenze als auch die Zugfestigkeit sind als charakteristische Punkte auf dieser Kurve zu finden.
Greifen wir erneut auf das Beispiel mit dem Gummiband zurück. Wenn Sie ein Gummiband nur leicht dehnen und rechtzeitig aufhören, kehrt es in der Regel in seine ursprüngliche Form und Länge zurück. Metalle und andere Werkstoffe verhalten sich ebenso: Es gibt immer einen Punkt, bis zu dem ein Werkstoff gebogen oder beansprucht werden kann, bevor er – nach Entlastung – wieder in seine Ausgangsform zurückkehrt. Manche Materialien sind hierbei elastischer als andere.
Manchmal dehnt man ein Gummiband aber so weit, dass es zwar nicht reißt, aber nach dem Loslassen länger oder an manchen Stellen verformt bleibt. Die auf das Band ausgeübte Kraft war stark genug, um dessen Form dauerhaft zu verändern. Metalle und andere Bleche zeigen ein ähnliches Verhalten. Wenn Werkstoffe nur wenig Kraft aufnehmen können, bevor sie sich bleibend verformen, bezeichnet man sie als „plastisch“.
Diejenige Spannung, die so stark ist, dass sie das Material dauerhaft verformt, nennt man Streckgrenze. Die Streckgrenze gibt also an, wie viel Kraft auf einen Werkstoff ausgeübt werden kann, bevor er sich verbiegt oder dauerhaft verformt. Einige Materialien haben eine derart hohe Streckgrenze, dass sie sich kaum verbiegen lassen, während andere schon bei geringer Belastung nachgeben und sich verformen. Für die meisten Anwendungen sind Materialien gefragt, die sich zwischen diesen beiden Extremen bewegen.
Nachdem Sie das Gummiband bis zur bleibenden Verformung gedehnt haben: Was passiert, wenn Sie es noch weiter dehnen? Es fühlt sich zunehmend starr und unnachgiebig an. Wenn Sie noch mehr Kraft aufwenden, reißt das Gummiband schließlich. Dasselbe gilt für andere Werkstoffe: Unabhängig von der Streckgrenze gibt es für jedes Material einen Punkt, an dem keine weitere Kraft mehr aufgenommen werden kann, ohne zu versagen. Die Kraft, die zum endgültigen Bruch oder Reißen eines Werkstoffs führt, wird als Zugfestigkeit bezeichnet.
| Komponenten | Streckgrenze | Zugfestigkeit |
| Definition | Die Streckgrenze ist das Maß für die Kraft, die auf ein Material ausgeübt werden kann, bevor es sich dauerhaft verformt. | Die Zugfestigkeit ist das Maß für die Kraft, die auf ein Material ausgeübt werden kann, bevor es bricht. |
| Spannung | Die Streckgrenze ist ein Mindestwert und gibt die minimale Kraft an, die zu einer dauerhaften Verformung führt. | Die Zugfestigkeit ist ein Maximalwert und zeigt die maximale Spannung, die ein Material aushalten kann. |
| Position im Diagramm | Unabhängig vom Material ist die Streckgrenze immer ein niedrigerer Wert und erscheint daher zuerst im Spannungs-Dehnungs-Diagramm. | Die Zugfestigkeit ist der letzte Wert, der im Spannungs-Dehnungs-Diagramm angezeigt wird. |
| Zwischenmolekulare Kräfte | Die zwischenmolekularen Kräfte sind stärker als die auf das Material ausgeübte Spannung. | Die zwischenmolekularen Kräfte sind schwächer als die auf das Material ausgeübte Spannung. |
Es ist entscheidend zu wissen, wie viel Spannung ein Material vor Verformung beziehungsweise Bruch aushalten kann, bevor Sie es für Ihr Projekt auswählen. Wird Ihr Projekt nur geringen Belastungen und wenig äußeren Einflüssen ausgesetzt, sind Materialien mit geringer Streckgrenze und Zugfestigkeit ausreichend. Muss Ihr Werkstück jedoch schwere Lasten, hohe Stöße oder extreme Belastungen aushalten, ist es wichtig, dass die Streckgrenze und Zugfestigkeit des gewählten Werkstoffs über den im Einsatz zu erwartenden Beanspruchungen liegen.
Um mehr über verschiedene Werkstoffe und ihre Eigenschaften zu erfahren, werfen Sie einen Blick in unseren umfassenden Materialratgeber. Zudem bieten wir spezielle Anleitungen zur Wahl der Materialstärke und zur Auswahl der passenden Verbundwerkstoffe für Ihr Projekt an.
Ja, die Streckgrenze ist immer niedriger als die Zugfestigkeit. Das gilt gleichermaßen für Metalle, Holz, Kunststoffe und Verbundwerkstoffe.
Nicht unbedingt. Beide Werte sind vor der Materialauswahl gleichermaßen wichtig. Da sie völlig unterschiedliche Aspekte beschreiben, ist es sinnvoll, beide Kennwerte zu kennen, bevor Sie Ihr Projekt starken Belastungstests unterziehen.
Mit steigender Temperatur sinkt die Streckgrenze. Die thermische Aktivierung verringert die intermolekularen Kräfte, wodurch die plastischen Eigenschaften des Materials zunehmen und es sich leichter dauerhaft verformen lässt.
