Versagenshypothesen

In jedem Zugversuch steht am Ende der Bruch des Werkstücks. Aus der Art des Bruchs lassen sich Rückschlüsse bezüglich des Werkstoffverhaltens treffen. Hierzu machen wir einen kurzen Exkurs in die Werkstofftechnik.

Exkurs Werkstofftechnik

Der Zugversuch stellt das wichtigste Verfahren zur Prüfung von Werkstoffen in der Werkstofftechnik dar. Es dient der Ermittlung des Werkstoffverhaltens bei einachsiger, gleichmäßig über den Querschnitt verteilter Zugbeanspruchung. Im Mittelpunkt jeder Untersuchung steht die Ermittlung der Werkstoffwiderstandsgrößen, deren Kenntnis für jede Konstruktion existentiell wichtig ist. 

Prüfmaschine

Prüfmaschine

Zugversuch mit Zugprüfmaschine

Zur Durchführung des Zugversuchs wird die Zugprobe in eine Prüfmaschine eingespannt. Es existieren viele verschiedene Maschinentypen, daher werden hier nur drei Varianten vorgestellt:

• Prüfmaschine mit mechanischer Krafterzeugung
• Prüfmaschine mit hydraulischer Krafterzeugung
• Universalprüfmaschine

Die ersten beiden Prüfmaschinen unterscheiden sich lediglich in der Art der Krafterzeugung, ansonsten ist der Messvorgang identisch. Die Universalprüfmaschine nutzt sowohl eine hydraulische Krafterzeugung als auch eine hydraulische Kraftmessung unter Verwendung eines Pendelmanometers. Da diese Prüfmaschine am weitesten verbreitet ist, wird der Prüfvorgang anhand dieser beschrieben.

Prüfvorgang

Bevor der Probenstab belastet werden kann, wird dieser in die Prüfmaschine fest eingespannt. Die Art der Einspannung richtet sich hierbei nach der Form der Probe. Proben mit Gewindeköpfen werden oft kugelig gelagert, damit sie sich genau in Zugrichtung einstellen können. Proben aus Flach- oder Rundmaterial hingegen spannt man oft mit Beißkeilen ein, welche sich unter zunehmender Belastung immer weiter zusammenziehen und somit die Probe fixieren. Nach der Einspannung wird die Probe unter Zugspannung gesetzt, indem der Biegetisch langsam und stoßfrei hochgefahren wird (siehe Skizze). Dieser Vorgang wird fortgesetzt, bis die Probe reißt. Während des gesamten Vorgangs misst ein Messgerät die Krafthöhe und die Längenänderung des Zugstabes. 

Als Ergebnis erhält man eine für jeden Werkstoff spezifische Kraft-Verlängerungs-Kurve.

Kraftverlängerungskurve

Nun zurück zur aktuellen Thematik. Im folgenden werden wir 4 Fälle von Brüchen betrachten und versuchen, auf die Schadensursache zu schließen.

Klärung der Versagensursache

1.Fall

Eine zugbeanspruchte Schraube bricht. Dabei liegt die Bruchfläche senkrecht zur Hauptspannungsrichtung.

2. Fall

Ein torsionsbeanspruchter Stab bricht. Die Bruchfläche verläuft in einem Winkel von 45° und die Bruchfläche steht senkrecht zur Hauptspannungsrichtung.

3. Fall

Ein zugbeanspruchter Stab bricht. Die Bruchfläche verläuft in einem Winkel von 45° und die Bruchfläche verläuft parallel zur Schubspannung.

4. Fall

Eine torsionsbeanspruchte Welle bricht. Der Bruch verläuft parallel zur Schubspannung.

Verschiedene Bruchbilder bei gleichen Beanspruchungszuständen deuten auf unterschiedliches Werkstoffverhalten hin und werden daher mit unterschiedlichen Versagenshypothesen untersucht.