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Zugversuch an Werkstoffen – Spannungs-Dehnungs-Diagramm, Streckgrenze und Zugfestigkeit

TechnikMaschinenbauAlter 16–17Virtuelles Labor

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Eine Metallprobe ist in eine Zugprüfmaschine eingespannt: Ziehen Sie am Schieberegler (oder klicken Sie auf „Auto-Zug“), um die Verlängerung zu erhöhen, während sich die Probe dehnt, einschnürt und schließlich bricht. Das Diagramm Spannung σ = F/S₀ über Dehnung ε = Δl/l₀ wird in Echtzeit gezeichnet und markiert Elastizitätsgrenze, Streckgrenze σ_ch und Zugfestigkeit σ_b. Wechseln Sie den Werkstoff, um Baustahl CT38, Stahl C45, Grauguss (spröde), Aluminiumlegierung und Kupfer zu vergleichen. Der Bildschirm Elastizitätsmodul zeigt den Versuch nach Searle: Belasten Sie einen langen Draht, lesen Sie die Verlängerung an einer Mikrometerschraube und den Durchmesser mit einer Bügelmessschraube ab, tragen Sie die Last über der Verlängerung mit markiertem elastischem Bereich auf und bestimmen Sie E aus der Steigung.

Lektion: Werkstoffe im Maschinenbau: mechanische Eigenschaften – Festigkeit, Verformbarkeit, Härte; Zugversuch und Spannungs-Dehnungs-Diagramm

Was sie zeigt

Der Zugversuch ist das Standardverfahren, um Festigkeit und Verformbarkeit eines Metalls zu messen: Kraft und Verlängerung werden in Spannung σ = F/S₀ und Dehnung ε = Δl/l₀ umgerechnet, damit sich Proben verschiedener Größe vergleichen lassen. Zuerst gilt das hookesche Gesetz σ = E·ε; oberhalb der Streckgrenze verformt sich das Metall bleibend, verfestigt sich, schnürt ein und bricht. Der Bildschirm Elastizitätsmodul misst E wie im Schullabor mit dem Searle-Apparat: Ein langer Draht wird schrittweise belastet, die Mikrometerschraube misst die kleine Verlängerung, und E = (F/ΔL)·(L/A) folgt aus dem geraden, elastischen Teil des Last-Verlängerungs-Diagramms.

So funktioniert es

Wählen Sie auf dem Reiter Zugversuch den Werkstoff der Probe und klicken Sie auf Auto-Zug oder ziehen Sie den Regler Verlängerung, und verfolgen Sie das Spannungs-Dehnungs-Diagramm. Lesen Sie auf dem Reiter Elastizitätsmodul (Searle) den Drahtdurchmesser an der Messschraube ab, erhöhen Sie die Zusatzlast schrittweise und klicken Sie jedes Mal auf Messwert notieren. Bestimmen Sie E aus der Steigung der elastischen Punkte, der Drahtlänge L und der Fläche A = πd²/4, und probieren Sie Kupfer aus, um die Elastizitätsgrenze zu sehen.

Einstellbare Parameter

  • Startbildschirm Zugversuch, Elastizitätsmodul (Searle)
  • Werkstoff der Probe Stahl CT38 (unlegierter Baustahl), Stahl C45 (Qualitätsstahl), Grauguss GX15-32 (spröder Werkstoff), Aluminiumlegierung (Duraluminium), Reinkupfer (sehr duktil)
  • Probendurchmesser d₀ 5–20 mm
  • Messlänge l₀ 50–200 mm
  • Zuggeschwindigkeit (Dehnung pro Sekunde) 1–20 %/s
  • Elastizitätsmodul: Drahtwerkstoff Stahl, Messing, Kupfer
  • Elastizitätsmodul: Prüfdraht Draht A (dünn), Draht B, Draht C (dick)
  • Elastizitätsmodul: Drahtlänge L 1–3 m

Fragen zum Erkunden

  1. Warum trägt man die Spannung über der Dehnung auf und nicht die Kraft über der Verlängerung?
  2. Welcher der fünf Werkstoffe hat die größte Bruchdehnung, und was sagt das über seine Duktilität aus?
  3. Sollte ein stoßbelastetes Maschinenteil laut den Diagrammen aus Grauguss oder aus Stahl bestehen?

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