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Zugversuch verstehen und vorbereiten

1 Worum geht es?

Praktisch kein Objekt in unserem Universum ist frei von mechanischer Belastung: Überall wirken Kräfte. Sie verformen die Objekte, auf die sie wirken, und werden sie zu groß, schädigen sie das Objekt dauerhaft oder zerstören es.

  • Im ganz Großen: Die Erde ist keine perfekte Kugel, denn die Fliehkräfte ihrer Eigenrotation platten sie zu einem Rotationsellipsoid ab.
  • In unserem Körper: Beim Gehen, Laufen oder Sport werden Muskeln, Sehnen und Knochen teils extrem belastet, bis hin zu Muskelfaserrissen oder Knochenbrüchen.
  • In der Natur: Unter Schneelast oder im Sturm biegen sich Äste von Bäumen massiv, manche brechen ab, mitunter sogar der Stamm.
  • In allem, was wir herstellen: das Smartphone, das zu Boden fällt, das Auto, das durch ein Schlagloch fährt, die Maschine, die Tag für Tag Bauteile fertigt.

Ingenieur*innen haben sich deshalb ein Handwerkszeug erarbeitet, mit dem sich bewerten lässt, wie stark ein Objekt belastet ist und ob es diese Belastung dauerhaft ertragen kann. Dieses Handwerkszeug ist universell: Mit denselben Methoden lassen sich ein Oberschenkelknochen, ein schneebeladener Ast, ein Smartphone-Gehäuse oder eine Kranbrücke beurteilen.

Im Maschinenbau setzen Ingenieur*innen dieses Handwerkszeug bereits während der Entwicklung ein: Lange bevor ein Produkt gebaut wird, soll feststehen, dass es zuverlässig funktioniert und über seine gesamte Lebensdauer hält. Eine zentrale Rolle spielen dabei die Eigenschaften des verwendeten Konstruktionswerkstoffs.

GlossarSchlüsselbegriffe & Abkürzungen
Zugversuch
Einachsiger Prüfversuch zur Bestimmung des Verformungs- und Bruchverhaltens.
DIN EN ISO 6892-1
Prüfnorm für den Zugversuch an metallischen Werkstoffen bei Raumtemperatur.
Werkstoffkennwert
Geometrieunabhängige, vergleichbare Materialeigenschaft (z. B. E, Rm).
quasi-statisch
Langsame, stoßfreie Belastung ohne nennenswerte Dehnrateneffekte.
duktil / spröde
Hohe bzw. geringe plastische Verformbarkeit bis zum Bruch.

2 Steifigkeit, Festigkeit, Duktilität: vom Bauteil zum Werkstoff

Welche Werkstoffeigenschaften für die Auslegung zählen, zeigt ein ganz alltägliches Produkt: ein freischwingender Stuhl.

Steifigkeit, Festigkeit und Duktilität am freischwingenden Stuhl: elastisches Nachgeben, bleibende Verformung und Biegen ohne Riss.
Steifigkeit, Festigkeit und Duktilität am Beispiel eines freischwingenden Stuhls. Originalgröße öffnen
  • Steifigkeit. Setzt man sich auf einen Stuhl, gibt er ein wenig nach und federt beim Aufstehen vollständig zurück. Diese Verformung ist elastisch. Wie stark sie ausfällt, beschreibt die Steifigkeit: Ein zu nachgiebiger Stuhl wackelt und federt unangenehm, auch wenn er nicht kaputtgeht. Bei vielen technischen Bauteilen ist genau das das entscheidende Kriterium, etwa beim Gestell einer Werkzeugmaschine, das sich kaum messbar verformen darf.
  • Festigkeit. Lässt sich jemand mit Schwung in den Stuhl fallen oder stellt sich darauf, kann das Gestell dauerhaft verbogen bleiben: Die Verformung ist nun plastisch. Bei noch höherer Last bricht es. Die Festigkeit beschreibt, welche Belastung ertragen wird, bevor bleibende Verformung oder Versagen eintritt.
  • Duktilität. Sein Gestell wird aus einem geraden Stahlrohr gebogen, bei manchen Modellen die Sitzschale aus einem ebenen Blech gepresst. Dabei wird der Werkstoff absichtlich stark plastisch verformt und darf trotzdem nicht reißen. Diese Verformbarkeit heißt Duktilität. Sie ist nicht nur für die Fertigung wichtig, etwa beim Tiefziehen von Karosserieteilen oder Getränkedosen, sondern auch für die Sicherheit: Ein duktiles Bauteil verbiegt sich sichtbar, bevor es bricht, und warnt so vor dem Versagen. Die Knautschzone eines Autos nutzt genau das, indem sie Aufprallenergie durch plastische Verformung aufnimmt.

Wie steif und fest ein Bauteil ist, hängt von zwei Dingen ab: von seiner Geometrie und von seinem Werkstoff. Ein dickeres Rohr ist steifer und fester als ein dünnes aus demselben Material. Umgekehrt würde ein Stuhl mit exakt gleichen Rohrabmessungen, aber aus Aluminium statt Stahl, unter derselben Last etwa dreimal so stark nachgeben.

Ausprobieren: der Freischwinger als Balkenmodell

Wie steif und wie fest ist ein Freischwinger, und welche Rolle spielt dabei der Werkstoff? In der Anwendung ist eine Seitenwange des Stuhls als Balkenmodell abgebildet: Das gebogene Stahlrohr wird durch seine Mittellinie ersetzt und als Rahmen aus Biegebalken berechnet. Das ist dasselbe Handwerkszeug, das Sie aus der Technischen Mechanik kennen (Festigkeitslehre): Biegemoment, Flächenträgheitsmoment I und Widerstandsmoment W des Rohrquerschnitts.

Stellen Sie Werkstoff, Außendurchmesser und Wandstärke des Rohrs sowie Körpermasse, Anlehnen und „mit Schwung hinsetzen“ ein. Der Überhöhungsfaktor macht die sonst nur wenige Millimeter große Verformung sichtbar.

  • Absenkung des Sitzes: Sie zeigt, wie steif der Stuhl ist.
  • Farbe des Gestells: Sie zeigt, wie stark das Rohr beansprucht wird, verglichen mit dem, was der Werkstoff ohne bleibende Verformung ertragen kann. Grün bedeutet viel Reserve, Rot bedeutet, dass die Grenze zur bleibenden Verformung überschritten ist. Hier geht es um die Festigkeit.

Die Anwendung arbeitet mit Größen, die erst in den folgenden Abschnitten eingeführt werden: mit der Spannung im Rohr (Abschnitt 5), dem Elastizitätsmodul E und der Streckgrenze (Abschnitt 6). Genau diese Werkstoffkennwerte liefert der Zugversuch. Ohne sie ließen sich weder die Verformung noch die Belastbarkeit des Stuhls berechnen.

Unbelastet Beanspruchung im Verhältnis zur WerkstoffgrenzeGrün: Reserve · Rot: Grenze überschritten

Vorbereitete Experimente

Absenkung Sitzmitte—
Sitzsteifigkeit—Last / Absenkung Sitzmitte
Beanspruchung / Werkstoffgrenze—
Gestellmasse—Zwei Seitenwangen, ohne Sitzschale
Werkstoff des Gestells
Rohrquerschnitt
Bei halbem Außendurchmesser als Wandstärke entsteht ein Vollstab.
Belastung des Stuhls
Die Gewichtskraft verteilt sich auf die Sitzfläche und auf zwei Seitenwangen.
Darstellung Faktor 1 zeigt die tatsächliche Verformung.
Die Animation zeigt die Verformung bei wechselnder Last. Sie berechnet keine Schwingung.

Modell und Zahlen nach Abschnitt 6 vertiefen

Eine Seitenwange besteht aus Euler-Bernoulli-Balkenelementen. Hinten liegt ein Festlager, vorn ein Loslager. Berechnet werden Normalkraft und Biegung bei kleinen Verformungen; Querkraftschub und plastische Verformung werden nicht berechnet.

Bei Überschreiten der Werkstoffgrenze zeigt die Farbe die Grenze der elastischen Rechnung an. Die bleibende Verformung oder ein Bruch werden damit nicht vorhergesagt. Die hinterlegten Werkstoffkennwerte sind Beispielwerte für das Lehrmodell.

In den Rohrbögen bleibt der Querschnitt im Modell kreisrund. Echte dünnwandige Rohrbögen können sich abplatten und dadurch stärker nachgeben. Auch der Kontakt der gesamten Kufe mit dem Boden wird nicht berechnet.

Beobachten und vergleichen

Starten Sie mit den vorbereiteten Experimenten und beantworten Sie für sich:

  • Was ändert sich, wenn Sie Stahl durch Aluminium ersetzen, und was bleibt gleich?
  • Was passiert, wenn Sie sich mit Schwung hinsetzen?
  • Wie müssen Sie das Rohr ändern, damit ein Aluminiumstuhl so steif ist wie ein Stahlstuhl, und wie viel wiegt er dann?

Kehren Sie nach Abschnitt 6 zu diesem Modell zurück. Erklären Sie dann mit den Werkstoffkennwerten die Unterschiede zwischen den Einstellungen.

Steifigkeit und Festigkeit sind unabhängige Eigenschaften: Ein höherfester Stahl kann bei gleicher Geometrie dieselbe elastische Verformung wie Baustahl zeigen und trotzdem mehr Belastung ohne bleibende Verformung ertragen.

Übung: Welche Aussage stimmt?

Zwei Bauteile mit identischer Geometrie werden mit derselben Kraft im elastischen Bereich belastet. Bauteil A ist aus Stahl, Bauteil B aus Aluminium. Nutzen Sie Ihre Beobachtungen am Balkenmodell. Welche Aussage ist richtig?

GlossarSchlüsselbegriffe & Abkürzungen
Steifigkeit
Widerstand eines Bauteils gegen elastische Verformung; abhängig von Werkstoff und Geometrie.
Festigkeit
Widerstand gegen bleibende Verformung und Versagen.

3 Der Zugversuch: Probe und Prüfmaschine

Der Zugversuch ermittelt die mechanischen Kennwerte eines Werkstoffs an einer Werkstoffprobe, die langsam und stoßfrei (quasi-statisch) bis zum Bruch gezogen wird. Probenform, Versuchsdurchführung und Auswertung sind genormt, für Metalle bei Raumtemperatur in DIN EN ISO 6892-1, damit Ergebnisse aus unterschiedlichen Prüflaboren vergleichbar sind.

Die Probe

Die Norm lässt verschiedene Probengeometrien zu, vor allem Rundproben und Flachproben in unterschiedlichen Abmessungen. Allen gemeinsam ist der Aufbau aus zwei Einspannbereichen mit größerem Querschnitt und einem dazwischenliegenden Messbereich mit kleinerem Querschnitt, verbunden durch sanft gerundete Übergänge. Der kleinere Querschnitt stellt sicher, dass die Belastung des Werkstoffs im Messbereich am höchsten ist: Dort verformt sich die Probe, und dort bricht sie auch, nicht etwa an den Spannbacken, wo die Einspannung den Werkstoff zusätzlich und ungleichmäßig belastet.

Rundprobe und Flachprobe mit Einspannbereichen, Messbereich, Anfangsmesslänge L₀ und Anfangsquerschnitt S₀.
Rund- und Flachprobe: Geometrie, Messlänge und Querschnitt. Originalgröße öffnen

Vor dem Versuch werden zwei Größen sorgfältig bestimmt, die in die Auswertung eingehen:

  • die Anfangsmesslänge \(L_0\), über die die Längenänderung gemessen wird,
  • der Anfangsquerschnitt \(S_0\), bei Rundproben aus dem Durchmesser \(d_0\), bei Flachproben aus Breite \(b_0\) und Dicke \(a_0\).

Für vergleichbare Bruchdehnungen verlangt die Norm ein festes Verhältnis von Messlänge und Querschnitt. Solche Proben heißen Proportionalproben (warum das nötig ist, zeigt Abschnitt 6):

\(L_0 = 5{,}65\,\sqrt{S_0} \quad (\text{kurze Proportionalprobe, bei Rundproben } L_0 = 5\,d_0)\)
\(L_0 = 11{,}3\,\sqrt{S_0} \quad (\text{lange Proportionalprobe, bei Rundproben } L_0 = 10\,d_0)\)

Standardgeometrien legt DIN 50125 fest, z. B. Form \(A\) (Rundprobe mit glatten Köpfen), Form B (Rundprobe mit Gewindeköpfen) und Form \(E\) (Flachprobe mit Köpfen).

Die Prüfmaschine

Die Probe wird in eine Zugprüfmaschine eingespannt.

Zugprüfmaschine mit bewegtem und festem Joch, Spannköpfen, Probe, Kraftmessdose für F und Extensometer für ΔL.
Aufbau der Zugprüfmaschine mit Kraftmessdose und Extensometer. Originalgröße öffnen

Ein Joch ist fest, das andere fährt langsam und gleichmäßig weg und zieht die Probe dadurch immer weiter in die Länge, bis sie schließlich bricht. Währenddessen werden zwei Größen kontinuierlich aufgezeichnet:

  • die Kraft \(F\) über eine Kraftmessdose,
  • die Längenänderung \(\Delta L\) im Messbereich über ein Extensometer, entweder mit Messschneiden, die direkt an der Probe anliegen, oder berührungslos mit einer Kamera (Videoextensometer bzw. digitale Bildkorrelation).

Das Extensometer misst wesentlich genauer als der Verfahrweg der Traverse, weil dieser auch die Nachgiebigkeit von Spannköpfen und Maschinenrahmen enthält.

Normen im Überblick: DIN EN ISO 6892-1 (Zugversuch Metalle, Raumtemperatur) · DIN EN ISO 6892-2 (erhöhte Temperatur) · DIN 50125 (Probenformen) · DIN EN ISO 527 (Kunststoffe) · ASTM E8/E8M (US-Norm für Metalle).

GlossarSchlüsselbegriffe & Abkürzungen
F
Kraft / N — über die Kraftmessdose erfasst.
ΔL
Längenänderung / mm — über das Extensometer erfasst.
L0
Anfangsmesslänge — Bezugslänge für die Dehnung.
S0
Anfangsquerschnitt — Bezugsfläche für die Spannung.
d0
Probendurchmesser (Rundprobe).
Extensometer
Längenmesssystem über L0; genauer als der Traversenweg.
Kraftmessdose
Sensor zur Messung der Prüfkraft F.
Proportionalstab
Probe mit festem Verhältnis L0 = 5,65·√S0.
DIN 50125
Norm für geometrisch festgelegte Zugproben.

4 Primäre Messgrößen: die Kraft-Längenänderungs-Kurve

Die primären Messgrößen des Zugversuchs sind die Kraft \(F\) und die Längenänderung \(\Delta L\). Aufgetragen ergeben sie das Kraft-Längenänderungs-Diagramm.

Kraft-Längenänderungs-Kurve mit vier Phasen: elastische Verformung, gleichmäßige plastische Verformung, örtliche Einschnürung und Bruch.
Kraft-Längenänderungs-Kurve und zugehörige Verformung der Probe in vier Phasen. Originalgröße öffnen

An der Kurve lässt sich ablesen, was mit der Probe passiert:

  • Elastische Verformung. Die Kraft steigt linear an. Entlastet man die Probe, federt sie vollständig in ihre Ausgangsform zurück.
  • Plastische Verformung mit Verfestigung. Ab einer bestimmten Kraft beginnt die bleibende Verformung: Im Kristallgitter gleiten Versetzungen. Die Kraft steigt nun flacher weiter, weil sich die Versetzungen gegenseitig behindern und der Werkstoff sich dadurch verfestigt (Kaltverfestigung). Die Probe wird über die gesamte Messlänge gleichmäßig länger und dünner.
  • Einschnürung. Bei der Höchstkraft \(F_m\) kann die Verfestigung die stetige Abnahme des Querschnitts nicht mehr ausgleichen. Die Verformung konzentriert sich auf eine Stelle der Probe, die sich deutlich sichtbar einschnürt. Ab hier genügt eine immer geringere Kraft für eine weitere Verlängerung.
  • Bruch. Im eingeschnürten Bereich bilden und vereinigen sich mikroskopische Poren, bis die Probe bricht, bei duktilen Metallen mit der typischen Teller-Tasse-Bruchfläche.

Der Kraftabfall nach \(F_m\) bedeutet also nicht, dass der Werkstoff schwächer wird: Die Verformung wird geometrisch instabil, und der Querschnitt nimmt in der Einschnürung schneller ab, als die Verfestigung ausgleichen kann.

Einfluss der Probengeometrie

Die Kraft-Längenänderungs-Kurve wird nicht nur vom Werkstoff bestimmt, sondern auch von der Probengeometrie: Eine dickere Probe aus demselben Werkstoff erträgt eine höhere Kraft, eine längere Probe zeigt bei gleicher Belastung eine größere Längenänderung. Die Kurve beschreibt damit das Bauteil Probe, nicht den Werkstoff, wie beim Stuhlgestell aus Abschnitt 2. Probieren Sie es aus:

Probe 1

Probe 2 — mit anderen Parametern

Wählen Sie denselben Werkstoff, aber eine abweichende Geometrie (anderer Durchmesser und/oder andere Messlänge). Beobachten Sie anschließend, wie sich die Kurven unterscheiden.

Direkt gemessen

Kraft-Längenänderungs-Diagramm

5 Sekundäre Messgrößen: Spannung und Dehnung

Um das reine Werkstoffverhalten zu erhalten, werden die primären Messgrößen auf die Probengeometrie bezogen. Für die Beanspruchung des Werkstoffs ist nicht die Kraft allein entscheidend, sondern wie sie sich auf den Querschnitt verteilt. Deshalb wird die technische Spannung als Kraft bezogen auf den Anfangsquerschnitt eingeführt:

\(\sigma = \frac{F}{S_0}\)

Diese einfache Rechnung ist zulässig, weil im Messbereich ein gleichmäßiger, einachsiger Spannungszustand herrscht. Die Spannung ist ein Maß für die Werkstoffbeanspruchung: Bei gleicher Kraft wird der Werkstoff in einer dicken Probe weniger beansprucht als in einer dünnen.

Entsprechend ist die technische Dehnung die Längenänderung bezogen auf die Anfangsmesslänge:

\(\varepsilon = \frac{\Delta L}{L_0}\)

Sie ist ein Maß für die Werkstoffverformung, unabhängig davon, wie lang der Messbereich der Probe ist. Aus den primären Messgrößen entstehen so die sekundären Messgrößen und damit die für den Werkstoff charakteristische Spannungs-Dehnungs-Kurve. Wiederholen Sie die beiden Messungen von oben, diesmal im \(\sigma\)-\(\varepsilon\)-Diagramm:

Die Kurven werden mit einem Werkstoffmodell berechnet, ohne Streuung und Rauschen. Die Vorgabe verwendet gleiche Durchmesser und unterschiedliche Messlängen; damit wird der Einfluss der Einschnürung sichtbar.

Probe 1 — diesmal in -

Probe 2 — diesmal in -

Normiert

Spannungs-Dehnungs-Diagramm

Bis zur maximalen Spannung fallen die Kurven desselben Werkstoffs aufeinander. Danach hängt der Verlauf von der Probengeometrie ab: Bei gleichem Durchmesser und unterschiedlicher Messlänge trennen sich die Kurven im Bereich der Einschnürung. Proportional skalierte Proben können dagegen auch danach dieselbe Kurve zeigen. Abschnitt 6 erklärt den Zusammenhang mit der Bruchdehnung.

Technische und wahre Spannung

\(S_0\) und \(L_0\) sind die Anfangswerte und werden während des Versuchs nicht angepasst; daher das Wort technisch. Tatsächlich wird die Probe beim Ziehen aber dünner. Die wahre Spannung, bezogen auf den aktuellen Querschnitt, ist deshalb stets größer als die technische, und sie steigt auch nach \(F_m\) weiter an. Dass die technische Spannung in der Einschnürung sinkt, liegt allein am Bezug auf den ursprünglichen Querschnitt. Für die genormten Kennwerte werden durchgängig die technischen Größen verwendet.

Die Bereiche der \(\sigma\)-\(\varepsilon\)-Kurve

Die Stadien aus Abschnitt 4 finden sich in der \(\sigma\)-\(\varepsilon\)-Kurve wieder. Wählen Sie einen Werkstoff und klicken Sie auf die Bereiche:

Werkstoff:
Spannungs-Dehnungs-Kurve
Lade Diagramm …
Simulierte --Kurve mit farbig hinterlegten Kurvenbereichen. Ein Klick auf einen Bereich markiert die zugehörige Erklärung. Bei Wechsel des Werkstoffs zeigt sich, wie sich der Kurvenverlauf qualitativ verändert.

Elastische Verformung

Die Kraft steigt linear an. Entlastet man die Probe, federt sie vollständig in ihre Ausgangsform zurück.

Plastische Verformung mit Verfestigung

Ab einer bestimmten Kraft beginnt die bleibende Verformung: Im Kristallgitter gleiten Versetzungen. Die Kraft steigt nun flacher weiter, weil sich die Versetzungen gegenseitig behindern und der Werkstoff sich dadurch verfestigt (Kaltverfestigung). Die Probe wird über die gesamte Messlänge gleichmäßig länger und dünner.

Einschnürung

Bei der Höchstkraft \(F_m\) kann die Verfestigung die stetige Abnahme des Querschnitts nicht mehr ausgleichen. Die Verformung konzentriert sich auf eine Stelle der Probe, die sich deutlich sichtbar einschnürt. Ab hier genügt eine immer geringere Kraft für eine weitere Verlängerung.

Bruch

Im eingeschnürten Bereich bilden und vereinigen sich mikroskopische Poren, bis die Probe bricht, bei duktilen Metallen mit der typischen Teller-Tasse-Bruchfläche.

Übung: Spannung berechnen

An einer Rundprobe mit dem Anfangsdurchmesser \(d_0 = 10\,\mathrm{mm}\) wird eine Kraft von \(F = 30\,000\,\mathrm{N}\) gemessen. Berechnen Sie die technische Spannung in MPa.

MPa

Dezimalzahlen mit Komma oder Punkt eingeben.

Übung: Welches Diagramm bleibt gleich?

Sie prüfen zwei Rundproben aus S235 mit unterschiedlichen Anfangsdurchmessern: \(d_0 = 5\,\mathrm{mm}\) und \(d_0 = 10\,\mathrm{mm}\). In welchem Diagramm stimmen die Kurven bis zur maximalen Spannung überein?

Übung: Phasen zuordnen

Ordnen Sie jeder Beschreibung die richtige Phase zu.

1. Verformung verschwindet vollständig nach Entlastung

2. Querschnitt wird lokal kleiner, technische Spannung sinkt scheinbar

3. Bleibende Verformung mit zunehmender Spannung bis zum Höchstpunkt

GlossarSchlüsselbegriffe & Abkürzungen
Primärdaten
Direkt gemessene, geometrieabhängige Größen F und ΔL.
Sekundärdaten
Auf die Anfangsgeometrie bezogene Größen und .
Technische Spannung / MPa = F / S0.
Technische Dehnung / — = ΔL / L0.
Normierung
Bezug der Messgrößen auf S0 bzw. L0.
technisch / wahr
Bezug auf den Anfangs- (technisch) bzw. den aktuellen Querschnitt (wahr).
elastisch
Die Verformung verschwindet nach dem Entlasten vollständig.
plastisch
Bereich bleibender (nicht reversibler) Verformung.
Versetzung
Liniendefekt im Kristallgitter, dessen Gleiten die plastische Verformung trägt.
Kaltverfestigung
Festigkeitszunahme durch gegenseitiges Blockieren der Versetzungen.
Lüders-Plateau
Fließbereich mit annähernd gleichbleibender Spannung.
Einschnürung
Lokale Querschnittsabnahme nach Erreichen der maximalen Spannung.
Bruch
Versagen der Probe im Einschnürbereich.
Duktilität
Plastische Verformbarkeit bis zum Bruch.

6 Werkstoffkennwerte nach DIN EN ISO 6892-1

Aus der \(\sigma\)-\(\varepsilon\)-Kurve werden die Kennwerte für Steifigkeit, Festigkeit und Duktilität bestimmt. Wählen Sie einen Werkstoff; ein Klick auf einen Marker hebt die zugehörige Erklärung hervor.

Werkstoff:
Spannungs-Dehnungs-Diagramm mit Elastizitätsmodul, Streck- oder Dehngrenze, Zugfestigkeit und Dehnungskennwerten
Lade Diagramm …
Berechnete Spannungs-Dehnungs-Kurve für den gewählten Werkstoff. Klicken Sie auf einen markierten Kennwert, um die zugehörige Erklärung hervorzuheben.

Elastizitätsmodul \(E\) – Steifigkeit

Der Elastizitätsmodul ist die Steigung der Kurve im linear-elastischen Bereich und wird durch lineare Regression in diesem Abschnitt bestimmt:

\(E = \frac{\Delta\sigma}{\Delta\varepsilon}\)

Für einen gegebenen Werkstoff ist \(E\) nahezu unabhängig von Wärmebehandlung oder Umformgrad. Richtwerte: Stahl ≈ 200 bis 210 GPa, Titan ≈ 105 bis 115 GPa, Kupfer ≈ 110 bis 125 GPa, Aluminium ≈ 69 bis 72 GPa.

Streckgrenze – Beginn der plastischen Verformung

Je nach Werkstoff zeigt die Kurve den Übergang vom elastischen in den plastischen Bereich auf zwei Arten:

  • Ausgeprägte Streckgrenze, typisch für unlegierte Baustähle wie S235: Die Spannung fällt beim Fließbeginn deutlich ab und verläuft dann auf einem nahezu horizontalen Lüders-Plateau, während matte Fließfiguren über die Probe wandern. Ermittelt werden die obere Streckgrenze \(R_{\mathrm{eH}}\) (höchste Spannung vor dem ersten Abfall) und die untere Streckgrenze \(R_{\mathrm{eL}}\) (niedrigste Spannung beim Fließen, ohne Einschwingvorgang).
  • Stetiger Übergang, typisch für Vergütungsstähle, austenitische Stähle und Aluminiumlegierungen: Es gibt keinen klar erkennbaren Fließbeginn. Stattdessen wird die Dehngrenze \(R_{\mathrm{p0,2}}\) konstruiert: die Spannung, bei der nach Entlastung eine bleibende Dehnung von 0,2 % zurückbliebe. Dazu wird die elastische Gerade um \(\varepsilon\) = 0,002 parallel nach rechts verschoben; ihr Schnittpunkt mit der Kurve liefert \(R_{\mathrm{p0,2}}\).

Zugfestigkeit \(R_m\) – höchste ertragbare Spannung

Die Zugfestigkeit ist die höchste technische Spannung im Versuch, erreicht bei der Höchstkraft:

\(R_m = \frac{F_m}{S_0}\)

Gleichmaßdehnung \(A_g\)

Die Gleichmaßdehnung ist die plastische Dehnung bei Höchstkraft, also bis zum Beginn der Einschnürung. Sie gibt an, wie stark sich der Werkstoff gleichmäßig über die gesamte Messlänge verformen lässt. Grafisch ist sie der Schnittpunkt einer Parallelen zur elastischen Geraden durch den \(R_m\)-Punkt mit der Dehnungsachse.

Bruchdehnung \(A\) – Duktilität

Die Bruchdehnung ist die bleibende Dehnung nach dem Bruch und das wichtigste Maß für die Duktilität. Sie wird bestimmt, indem man die beiden Bruchstücke zusammenlegt und die Messlänge \(L_u\) nachmisst:

\(A = \frac{L_u - L_0}{L_0}\)

Bleibt das Extensometer bis zum Bruch angesetzt, darf \(A\) auch grafisch bestimmt werden, analog zu \(A_g\) als Parallele durch den Bruchpunkt. Da \(A\) die Verformung in der Einschnürung mit einschließt, ist stets \(A\) > \(A_g\).

Welche Kennwerte hängen von der Probe ab?

\(E\), Streckgrenze, \(R_m\) und \(A_g\) werden ermittelt, solange sich die Probe noch gleichmäßig über die gesamte Messlänge verformt. Sie sind daher weitgehend unabhängig von der Probengeometrie.

Anders die Bruchdehnung: Sie enthält die zusätzliche Verlängerung in der Einschnürung. Die Einschnürung erstreckt sich etwa über ein bis zwei Probendurchmesser; ihr Beitrag zur Verlängerung wächst daher mit der Probendicke, ist aber unabhängig davon, wie lang die Messlänge ist. Bezogen auf eine kurze Messlänge fällt dieser feste Beitrag stärker ins Gewicht als bei einer langen: Je kürzer die Messlänge im Verhältnis zum Querschnitt, desto größer die Bruchdehnung. Näherungsweise beschreibt das die Oliver-Formel:

\(A \propto \left(\frac{\sqrt{S_0}}{L_0}\right)^{0{,}4}\)

Deshalb werden Proportionalproben verwendet (Abschnitt 3), und die Bruchdehnung wird stets mit der Probengeometrie angegeben: \(A\) für die kurze Proportionalprobe (\(L_0\) = 5,65·√\(S_0\), bei Rundproben \(L_0\) = 5·\(d_0\)), \(A_{11,3}\) für die lange (\(L_0\) = 11,3·√\(S_0\), bei Rundproben \(L_0\) = 10·\(d_0\)). In älteren Normen, vielen Datenblättern und Lehrbüchern heißen diese Werte noch \(A_5\) und \(A_{10}\); gemeint ist dasselbe. Probieren Sie es im Vergleich aus Abschnitt 5 aus: gleicher Durchmesser, deutlich verschiedene Messlängen.

Übung: Elastizitätsmodul berechnen

Im elastischen Bereich messen Sie bei einer Dehnung von \(\varepsilon = 0{,}001\) eine Spannung von \(\sigma = 210\,\mathrm{MPa}\). Berechnen Sie den Elastizitätsmodul in MPa.

MPa

Übung: Kennwerte zuordnen

Welcher Kennwert beschreibt was? Wählen Sie für jede Beschreibung den passenden Kennwert.

1. Steigung im linearen Bereich der Kurve

2. Höchste technische Spannung der Kurve

3. Spannung bei 0,2 % bleibender Dehnung

GlossarSchlüsselbegriffe & Abkürzungen
E
Elastizitätsmodul / GPa — Steigung im elastischen Bereich (Steifigkeit).
ReH
Obere Streckgrenze — höchste Spannung vor dem Kraftabfall.
ReL
Untere Streckgrenze — niedrigste Spannung auf dem Lüders-Plateau.
Rp0,2
Ersatzstreckgrenze bei 0,2 % bleibender Dehnung (stetiger Übergang).
Rm
Zugfestigkeit / MPa — maximale technische Spannung.
Ag
Gleichmaßdehnung — plastische Dehnung bei Höchstkraft.
A
Bruchdehnung / % — bleibende Dehnung nach dem Bruch (Duktilität).
0,2-%-Offset
Parallele zur elastischen Geraden bei \(\varepsilon = 0{,}002\), mit der die Dehngrenze \(R_{\mathrm{p0,2}}\) bestimmt wird.

7 Der virtuelle Zugversuch: Vorbereitung auf das Labor

Ihre Vorbereitung auf das Werkstoffkundelabor

Virtuelle Zugversuche durchführen und auswerten

Sie führen fünf Zugversuche mit zwei Werkstoffen durch. Baustahl S235 ist vorgegeben. Als zweiten Werkstoff wählen Sie einen der anderen drei. Sie vergleichen die Werkstoffe und untersuchen die Streuung sowie den Einfluss der Messlänge.

Ihre Diagramme und Beobachtungen werden im Vorbereitungsprotokoll gesammelt. Bringen Sie das PDF zum Labortermin mit.

Grundlagen nachlesen: Abschnitte 1–6

Vorbereitung auf die Versuche

Die Kurven entstehen in einem Werkstoffmodell. Es bildet elastische und bleibende Verformung, Einschnürung und Bruch ab. Die Bruchdehnung hängt dabei auch von der Probengeometrie ab.

Messrauschen und Streuung bleiben eingeschaltet. Messrauschen lässt die Messwerte schwanken; durch Streuung unterscheiden sich auch Proben desselben Werkstoffs. Diese Unterschiede untersuchen Sie in den Wiederholungsversuchen.

Prüfen Sie zuerst S235 und Ihren zweiten Werkstoff mit d₀ = 10 mm und L₀ = 50 mm. Wiederholen Sie den Versuch mit S235 zweimal. Prüfen Sie zum Schluss eine S235-Probe mit L₀ = 100 mm. Klicken Sie nach jeder Auswertung auf „Ergebnisse übernehmen“ und notieren Sie Ihre Beobachtungen.

Modell und Werkstoffe ausführlich nachlesen

Lesen Sie die folgende Vorbereitung, bevor Sie die Werkstoffe auswählen und den ersten Versuch starten. Sie erklärt das Modell, die verfügbaren Werkstoffe und Ihre Aufgaben.

Was steckt hinter dem virtuellen Versuch?

Hier werden keine echten Proben geprüft. Ein Werkstoffmodell berechnet die Kurven und beschreibt mathematisch das Materialverhalten. Es bildet die Schritte aus den Grundlagen nach:

  • Elastische Verformung: Die Probe federt nach dem Entlasten zurück. Die Steigung der Spannungs-Dehnungs-Kurve beschreibt ihre elastische Steifigkeit.
  • Plastische Verformung und Verfestigung: Die Probe verformt sich bleibend. Für weitere Verformung ist zunächst mehr Kraft erforderlich. Je nach Werkstoff zeigt sich eine ausgeprägte Streckgrenze oder ein stetiger Übergang.
  • Einschnürung und Bruch: Die Verformung konzentriert sich an einer Stelle, die Kraft fällt ab und die Probe bricht. Das Modell berücksichtigt, dass die gemessene Bruchdehnung von der Probengeometrie abhängt.

Außerdem gibt es Streuung und Messrauschen. Streuung bedeutet: Zwei Proben desselben Werkstoffs haben leicht unterschiedliche Eigenschaften. Messrauschen bedeutet: Die Messwerte schwanken etwas. Lassen Sie für dieses Versuchsprogramm beide Optionen eingeschaltet. Bei den Wiederholungen sollen Sie gerade diese Unterschiede beobachten.

Die Simulation dient der Vorbereitung auf das Labor. Vergleichen Sie die berechneten Kennwerte mit den Referenzwerten. Die Ergebnisse ersetzen keine Prüfung an einer realen Probe.

S235 ist Pflicht: die vier Werkstoffe im Überblick

  • Baustahl S235: ein häufig verwendeter Stahl für tragende Bauteile. Er ist gut umformbar und zeigt im Modell eine ausgeprägte Streckgrenze mit Lüders-Plateau.
  • CrNi-Stahl 1.4301: ein nichtrostender Stahl, oft „V2A“ genannt. Er zeigt einen stetigen Fließbeginn und kann sich stark plastisch verformen, zum Beispiel bei Anwendungen in der Lebensmitteltechnik.
  • Vergütungsstahl 42CrMo4: ein durch Wärmebehandlung hochfester Stahl. Er wird zum Beispiel für Wellen und Zahnräder verwendet.
  • Aluminiumlegierung 7075: ein leichter, hochfester Aluminiumwerkstoff, zum Beispiel für den Leichtbau. Er ist elastisch deutlich nachgiebiger als Stahl.

Werkstoff A ist immer Baustahl S235. Als Werkstoff B wählen Sie CrNi-Stahl 1.4301, Vergütungsstahl 42CrMo4 oder Aluminiumlegierung 7075. Diese Kombination verwenden Sie im gesamten Versuchsprogramm.

Was Sie durchführen und abgeben

Sie bearbeiten fünf Versuche: eine kurze Probe aus A, eine kurze Probe aus B, zwei weitere kurze Proben aus A und zuletzt eine lange Probe aus A. Die Wiederholungen zeigen die Streuung. Mit der langen Probe untersuchen Sie den Einfluss der Messlänge.

Jeden Versuch starten Sie direkt in der Aufgabe. Danach bestimmen Sie die Kennwerte und klicken auf „Ergebnisse übernehmen“. Ihr Diagramm wird in den Text und ins Protokoll eingefügt. Notieren Sie Ihre Beobachtung und gehen Sie anschließend zur nächsten Aufgabe. Zum Schluss exportieren Sie die fünf Versuche mit Diagrammen und Beobachtungen als PDF.

Werkstoffe für Ihre Versuchsreihe auswählen

Baustahl S235 ist als Werkstoff A für die Auswertung verpflichtend. Wählen Sie als Werkstoff B einen der anderen drei Werkstoffe. Sobald Sie den ersten Versuch öffnen, bleibt diese Wahl für die Messreihe fest.

Noch kein Versuch abgeschlossen.

Werkstoffe vergleichen

1 · Baustahl S235 prüfen

Vor dem Versuch lesen

So entsteht Ihre Messkurve

Am Anfang verformt sich die Probe elastisch: Nach dem Entlasten würde sie in ihre ursprüngliche Form zurückfedern. Beim weiteren Ziehen beginnt die bleibende Verformung. Nach der Höchstkraft schnürt die Probe ein und bricht schließlich. Aus Kraft und Längenänderung berechnen Sie Spannung und Dehnung; daraus bestimmen Sie die Werkstoffkennwerte.

Ihre Aufgabe

Ziehen Sie eine kurze Rundprobe aus Baustahl S235 bis zum Bruch. Beobachten Sie zuerst die Kraft und die Längenänderung. Werten Sie danach die Kurve aus und bestimmen Sie die Kennwerte.

Werkstoff A · d₀ = 10 mm · L₀ = 50 mm

Wählen Sie zuerst Ihren zweiten Werkstoff.

Beobachtungen festhalten und erklären

Welche Abschnitte erkennen Sie in Ihrer Kurve? Wie beginnt die bleibende Verformung?

2 · Den zweiten Werkstoff mit S235 vergleichen

Vor dem Versuch lesen

Steifigkeit, Festigkeit und Duktilität vergleichen

Der E-Modul beschreibt die elastische Steifigkeit: Je größer er ist, desto steiler steigt die elastische Gerade an. Streckgrenze und Zugfestigkeit beschreiben die Festigkeit. Die Bruchdehnung beschreibt die Duktilität. Ein festerer Werkstoff muss deshalb weder steifer noch stärker verformbar sein.

Ihre Aufgabe

Die Probengeometrie bleibt gleich. Wechseln Sie zu Werkstoff B und führen Sie denselben Versuch durch. So können Sie Unterschiede auf den Werkstoff zurückführen.

Werkstoff B · d₀ = 10 mm · L₀ = 50 mm

Wählen Sie zuerst Ihren zweiten Werkstoff.

Beobachtungen festhalten und erklären

Vergleichen Sie E-Modul, Zugfestigkeit und Bruchdehnung. Welche Unterschiede erkennen Sie zwischen den beiden Werkstoffen?

Streuung untersuchen

3 · Den S235-Versuch wiederholen

Vor dem Versuch lesen

Streuung und Messrauschen unterscheiden

Streuung bedeutet, dass einzelne Proben desselben Werkstoffs leicht unterschiedliche Eigenschaften haben. Messrauschen sind kleine Schwankungen der erfassten Werte. Das Modell bildet beides ab. Deshalb erhalten Sie beim Wiederholen eine neue Kurve, obwohl Werkstoff und Probenmaße gleich bleiben.

Ihre Aufgabe

Prüfen Sie eine neue kurze Probe aus Werkstoff A mit denselben Einstellungen wie in Aufgabe 1. Durch Streuung und Messrauschen entsteht eine neue Kurve.

Werkstoff A · d₀ = 10 mm · L₀ = 50 mm

Wählen Sie zuerst Ihren zweiten Werkstoff.

Beobachtungen festhalten und erklären

Welche Kennwerte unterscheiden sich von Ihrem ersten Versuch? Warum sind die Ergebnisse trotz gleicher Einstellungen nicht exakt gleich?

4 · Einen dritten S235-Versuch durchführen

Vor dem Versuch lesen

Ergebnisse aus drei Versuchen vergleichen

Mit drei kurzen Proben aus demselben Werkstoff sehen Sie besser, wie stark Ihre Ergebnisse schwanken. Vergleichen Sie nicht nur die Kurvenform, sondern auch die einzelnen Kennwerte. Im echten Labor können zusätzlich zum Beispiel Unterschiede beim Einspannen oder Messen eine Rolle spielen.

Ihre Aufgabe

Wiederholen Sie den kurzen Versuch mit Werkstoff A ein weiteres Mal. Sie haben danach drei kurze Proben aus demselben Werkstoff zum Vergleichen.

Werkstoff A · d₀ = 10 mm · L₀ = 50 mm

Wählen Sie zuerst Ihren zweiten Werkstoff.

Beobachtungen festhalten und erklären

Wie groß ist die Streuung Ihrer drei Ergebnisse? Welche zusätzlichen Einflüsse könnten im echten Labor auftreten?

Einfluss der Messlänge untersuchen

5 · Eine längere Probe prüfen

Vor dem Versuch lesen

Messlänge und Bruchdehnung zusammen betrachten

Die Dehnung ergibt sich aus der Längenänderung geteilt durch die Anfangsmesslänge. Bei einer längeren Probe kann daher eine größere Längenänderung zur gleichen Dehnung gehören. Bis zur maximalen Spannung sollten die normierten Kurven ungefähr übereinstimmen. Bei der Einschnürung konzentriert sich die Verformung lokal; deshalb hängt die Bruchdehnung von der Probengeometrie ab. Berücksichtigen Sie beim Vergleich auch die Streuung.

Ihre Aufgabe

Verwenden Sie wieder Werkstoff A und denselben Durchmesser. Diesmal ist die Anfangsmesslänge doppelt so groß: 100 statt 50 mm. Vergleichen Sie die lange mit Ihrer ersten kurzen Probe.

Werkstoff A · d₀ = 10 mm · L₀ = 100 mm

Wählen Sie zuerst Ihren zweiten Werkstoff.

Beobachtungen festhalten und erklären

Was verändert sich im Kraft-Längenänderungs-Diagramm und im Spannungs-Dehnungs-Diagramm? Welche Kennwerte bleiben ungefähr gleich? Berücksichtigen Sie beim Vergleich auch die Streuung.

Das gesamte Versuchsprogramm nachlesen

Versuchsprogramm: fünf Versuche mit zwei Werkstoffen

Verwendet werden Rundproben. Der Anfangsdurchmesser heißt d₀, die Anfangsmesslänge L₀. Bei den ersten vier Versuchen bleiben diese Maße gleich. Erst im fünften Versuch ändern Sie die Messlänge.

VersuchWerkstoffd₀ / mmL₀ / mmWas untersuchen Sie?
1Baustahl S235 (A)1050Grundversuch mit einer kurzen Proportionalprobe
2Werkstoff B1050Vergleich mit einem anderen Werkstoff
3Baustahl S235 (A)1050Erste Wiederholung: Streuung beobachten
4Baustahl S235 (A)1050Zweite Wiederholung: Streuung beobachten
5Baustahl S235 (A)10100Lange Proportionalprobe: Einfluss der Messlänge

Baustahl S235 wurde danach viermal geprüft, der frei gewählte Werkstoff B einmal. Insgesamt müssen fünf Versuche unter „Messreihen“ stehen. Für die Wiederholungen starten Sie jeweils einen neuen Versuch mit denselben Einstellungen.

Hilfe zur Durchführung und Auswertung

So bearbeiten Sie jeden Versuch

  1. Öffnen Sie die Durchführung in Ihrer aktuellen Aufgabe. Werkstoff, d₀ und L₀ sind bereits passend eingestellt. Messrauschen und Streuung bleiben eingeschaltet.
  2. Klicken Sie auf „Versuch starten“. Beobachten Sie, wie sich das Kraft-Längenänderungs-Diagramm aufbaut.
  3. Klicken Sie danach auf „Modelldaten auswerten“. Folgen Sie den Auswertungsschritten. Aus Kraft und Längenänderung werden Spannung und Dehnung berechnet.
  4. Bestimmen Sie den E-Modul, die Streckgrenze, die Zugfestigkeit Rm, die Gleichmaßdehnung Ag und die Bruchdehnung A. Bei ausgeprägter Streckgrenze bestimmen Sie die obere und die untere Streckgrenze; bei stetigem Übergang die Dehngrenze Rp0,2. Die Bedeutung steht in Abschnitt 6.
  5. Klicken Sie nach der Auswertung auf „Ergebnisse übernehmen“. Erst dann erscheint der Versuch unter „Messreihen“ und steht für Vergleich und PDF-Export bereit.
  6. Beginnen Sie erst danach den nächsten Versuch aus der Tabelle. Falls Sie unterbrechen, können Sie über „Zwischenstand speichern / laden“ Ihren Arbeitsstand für 48 Stunden sichern.
Alle Reflexionsfragen nachlesen

Vergleichen und erklären

Wählen Sie im Tab „Vergleich“ die passenden Versuche aus. Vergleichen Sie zuerst A mit B, dann die drei kurzen Proben aus A und zuletzt eine kurze mit der langen Probe aus A.

  • Welcher Ihrer beiden Werkstoffe zeigt die steilere elastische Gerade? Wie passt das zum E-Modul?
  • Wie beginnt bei Ihren Werkstoffen das plastische Fließen: mit ausgeprägter Streckgrenze oder mit stetigem Übergang?
  • Welcher Werkstoff erreicht die höhere Zugfestigkeit und welcher die größere Bruchdehnung? Was sagt das über Festigkeit und Duktilität aus?
  • Wie stark unterscheiden sich die drei kurzen Proben aus A trotz gleicher Einstellungen? Erklären Sie die Unterschiede mit Streuung und Messrauschen. Welche weiteren Einflüsse gäbe es im echten Labor?
  • Was ändert sich bei der langen Probe aus A im Kraft-Längenänderungs- und im Spannungs-Dehnungs-Diagramm? Welche Kennwerte bleiben ungefähr gleich und welche ändern sich? Beachten Sie dabei auch die Streuung.
  • Wie liegen Ihre Ergebnisse im Vergleich zu den Referenzwerten unten? Achten Sie auf Werkstoffzustand, Probenform und Einheiten.
Referenzwerte und Normvergleich

Ihre Ergebnisse im Vergleich mit der Norm

Die Tabelle nennt Mindestwerte und Wertebereiche für die angegebenen Werkstoffzustände. Vergleichen Sie Ihre Ergebnisse mit der passenden Tabellenzeile und beachten Sie die Probenform und die Messlänge.

Werkstoff Zustand / Norm / GPa1 Streckgrenze / MPa / MPa / %
Baustahl (S235) S235JR, t ≤ 16 mm
DIN EN 10025-2
≈ 210 ReH ≥ 235 360–510 ≥ 26
CrNi-Stahl (1.4301) X5CrNi18-10, lösungsgeglüht
DIN EN 10088-3
≈ 200 Rp0,2 ≥ 190 500–700 ≥ 45
Vergütungsstahl (42CrMo4) 42CrMo4+QT, Ø 16–40 mm
DIN EN 10083-3
≈ 210 Rp0,2 ≥ 750 1000–1200 ≥ 11
Al-Legierung (7075) EN AW-7075-T6, Blech 1,5–3 mm
DIN EN 485-2
≈ 71 Rp0,2 ≥ 470 ≥ 540 ≥ 7

¹ Der \(E\)-Modul ist in den Liefernormen nicht festgelegt; angegeben sind Literaturwerte. Die Bruchdehnungen gelten für die jeweilige Normprobe, beim dünnen 7075-Blech für eine feste Messlänge von 50 mm statt einer Proportionalprobe.

Hinweise zum Vergleich der Werkstoffe

  • Festigkeit und Steifigkeit sind unterschiedliche Eigenschaften. Bei gleicher Spannung zeigt 7075 etwa die dreifache elastische Dehnung von S235, obwohl es eine höhere Zugfestigkeit hat (siehe Abschnitt 2).
  • Der Streckgrenzentyp hängt vom Werkstoff ab. Nur der Baustahl wird über \(R_{\mathrm{eH}}\) charakterisiert, die anderen drei über \(R_{\mathrm{p0,2}}\).
  • Festigkeit und Duktilität stehen oft im Gegensatz. 42CrMo4 ist mehr als doppelt so fest wie 1.4301, erreicht aber nur rund ein Viertel von dessen Bruchdehnung.

Ihr Protokoll für den Labortermin

Nach jedem ausgewerteten Versuch klicken Sie auf „Ergebnisse übernehmen“. Damit wird das Ergebnis Ihrer Aufgabe zugeordnet und das Diagramm für den PDF-Export gespeichert. Ihre Beobachtungen können Sie direkt unter dem Diagramm notieren.

Unter „Export“ prüfen Sie Ihre fünf Versuche und die Diagramme, geben Ihren Namen ein und erzeugen das PDF-Protokoll. Bringen Sie es zusammen mit Ihren Antworten zum Labortermin mit. Über „Zwischenstand speichern / laden“ können Sie Ihre Arbeit für 48 Stunden sichern.

Das Vorbereitungsprotokoll schließen Sie vor dem realen Versuch ab. Die Originaldaten nehmen Sie erst im Labor selbst auf; Auswertung und Upload erfolgen dort gemeinsam mit der Betreuung.

Im Labor: reale Messdaten auswerten und speichern

Im realen Zugversuch prüfen Sie eine echte Probe und laden die CSV-Datei der Prüfmaschine. Eine Ontologie ist das gemeinsame Begriffsverzeichnis für Werkstoff, Probe und Maschine. Ein Wissensgraph verbindet diese Angaben mit Ihren Messwerten. Im realen Prüfstand sehen Sie ihn unter „Datenbank“.

Unter „DataPortal-Upload“ prüfen Sie die Original-CSV und die Beschreibung des Versuchs zusammen mit der Laborbetreuung. Virtuelle Versuchsdaten werden nicht ins DataPortal hochgeladen.

Ausblick nachlesen: realer Versuch und Forschungsdaten

Übung: Welcher Werkstoff für welche Anwendung?

Sie wählen einen Werkstoff für eine hoch belastete Antriebswelle in einem Getriebeprüfstand. Benötigt werden hohe Festigkeit und ausreichende Duktilität. Welcher der vier Werkstoffe eignet sich am besten?

Übung: Geringste Steifigkeit?

Welcher der vier Werkstoffe zeigt bei gleicher Spannung die größte elastische Dehnung und hat damit den niedrigsten E-Modul?

Übung: Ausgeprägte Streckgrenze

Welcher der vier Werkstoffe hat eine ausgeprägte Streckgrenze, die durch \(R_{\mathrm{eH}}\) und \(R_{\mathrm{eL}}\) beschrieben wird, anstelle der Dehngrenze \(R_{\mathrm{p0,2}}\)?

Übung: Festigkeit und Duktilität

Beim Tiefziehen muss sich ein Werkstoff stark plastisch verformen können, ohne zu reißen. Welcher der vier Werkstoffe ist aufgrund seiner hohen Bruchdehnung am besten geeignet?

GlossarSchlüsselbegriffe & Abkürzungen
S235 (1.0038)
Unlegierter Baustahl mit ausgeprägter Streckgrenze.
1.4301 (X5CrNi18-10)
Austenitischer, nichtrostender CrNi-Stahl („V2A").
42CrMo4 (1.7225)
Vergütungsstahl, hochfest bei ausreichender Duktilität.
7075
Aushärtbare AlZnMg-Knetlegierung, höchste Al-Festigkeit (Leichtbau).
austenitisch
Kubisch-flächenzentriertes Gefüge — sehr duktil, nicht magnetisch.
vergütet
Wärmebehandlung Härten + Anlassen für hohe Festigkeit und Zähigkeit.
ausgehärtet
Festigkeitssteigerung durch Ausscheidungen (Al-Legierungen).
GlossarSchlüsselbegriffe & Abkürzungen
Modelldaten
Synthetische --Kurven aus einem Werkstoffmodell.
Eigene Daten
Per CSV importierte eigene Messungen (Primär- oder Sekundärdaten).
Messreihe
Gespeicherte Versuche für Vergleich und PDF-Protokoll.

8 Im Labor: der reale Versuch

Dieser Abschnitt folgt nach dem virtuellen Versuch und dem PDF-Protokoll. Bringen Sie Ihr fertiges Vorbereitungsprotokoll zum Labortermin mit. Die folgenden Aufgaben bearbeiten Sie vor Ort gemeinsam mit der Betreuung.

Im Werkstoffkundelabor prüfen Sie eine reale Probe an der Zugprüfmaschine. Laden Sie anschließend die Maschinen-CSV auf der Seite für den realen Zugversuch. Die Auswertung erfolgt wie bei den virtuellen Versuchen; die Laborbetreuung unterstützt Sie dabei.

  • Eigene Messdaten importieren: Die Messdaten der Prüfmaschine werden als CSV-Datei in den Prüfstand geladen, entweder als Primärdaten (\(F\), \(\Delta L\); dazu werden Probengeometrie und Probentyp eingegeben) oder als Sekundärdaten (\(\sigma\), \(\varepsilon\)).
  • Auswerten und vergleichen: Bestimmen Sie die Kennwerte wie im virtuellen Versuch und vergleichen Sie Ihre realen Ergebnisse mit dem PDF-Protokoll aus der virtuellen Vorbereitung. Wo weichen Kurven und Kennwerte voneinander ab, und warum?
  • Metadaten erfassen: Notieren Sie Probenabmessungen, Charge und Prüftemperatur vollständig und vermerken Sie Auffälligkeiten im Protokoll. Wie die Daten mit Ontologie und Wissensgraph beschrieben und ins DataPortal übertragen werden, erfahren Sie unten in diesem Abschnitt.

Ontologie und Wissensgraph: Was bedeuten die Begriffe?

Eine Ontologie ist ein gemeinsames Begriffsverzeichnis mit Regeln: Es legt zum Beispiel fest, was eine Probe, ein Werkstoff, eine Prüfmaschine oder eine Messgröße ist und wie diese Dinge zusammenhängen.

Ein Wissensgraph verbindet die Angaben Ihres konkreten Versuchs. Denken Sie an eine Zeichnung mit Kästchen und Verbindungslinien:

  • Probe P01 besteht aus Baustahl.
  • Probe P01 wurde an Maschine M01 geprüft.
  • Bei diesem Versuch wurde eine Zugfestigkeit bestimmt.

Die Kästchen stehen für Dinge oder Messwerte, die Linien für ihre Beziehungen. So bleibt nachvollziehbar, zu welcher Probe und zu welcher Maschine ein Ergebnis gehört. Die Plattform erzeugt diesen Wissensgraphen aus Ihren Angaben; Sie müssen ihn nicht von Hand programmieren.

Forschungsdaten im Projekt HAW4Mat

Wohin mit den Versuchsdaten, die Sie beim Zugversuch gemessen haben?

An Hochschulen entstehen jedes Semester Messdaten aus Zugversuchen und anderen Werkstoffprüfungen. Im Projekt HAW4Mat werden solche Daten gesammelt, damit sie auch nach dem Praktikum genutzt werden können.

Nach der Freigabe sind die Daten im Dataportal der Plattform MaterialDigital für andere Hochschulen, Forschende und Unternehmen zugänglich.

Welche Angaben zu den Messdaten gehören

Messwerte benötigen eine Beschreibung. Um aus Kraft und Längenänderung Spannung und Dehnung zu berechnen, brauchen Sie den Anfangsquerschnitt \(S_0\) und die Anfangsmesslänge \(L_0\). Für die Einordnung der Ergebnisse benötigen Sie außerdem Angaben zum Werkstoff, zur Probe und zu den Prüfbedingungen. Diese zusätzlichen Angaben heißen Metadaten.

Dokumentieren Sie auch die Prüfmaschine und die verwendeten Messsysteme. Angaben zur Kraftmessdose, zum Extensometer und zu deren Kalibrierung helfen dabei, die Herkunft und Qualität der Messwerte nachzuvollziehen. Die zugehörigen Kalibriernormen sind DIN EN ISO 7500-1 für das Kraftmesssystem und DIN EN ISO 9513 für das Extensometer. Zu einem realen Versuch gehören deshalb zwei Dateien:

  • Die Original-CSV der Prüfmaschine enthält die Messwerte, zum Beispiel Kraft und Längenänderung. Welche Spalten vorhanden sind, hängt vom Maschinenexport ab.
  • versuch.ttl – was die Zahlen bedeuten: Probe (\(d_0\), \(L_0\), \(S_0\)), Werkstoff und Charge, Norm und Prüftemperatur, Prüfmaschine mit Kraftmessdose und Extensometer, die ermittelten Kennwerte und die Einheit jeder CSV-Spalte.

Die Beschreibungen werden als RDF/Turtle gespeichert. Das ist ein Dateiformat für die Beziehungen im Wissensgraphen. Sie müssen den Code für das Praktikum nicht selbst schreiben.

Vereinfachtes Beispiel einer RDF-Beschreibung

Dieses Beispiel zeigt die Schreibweise. Die Plattform erzeugt die Beschreibung mit den Begriffen ihrer gemeinsamen Ontologie automatisch.

ex:specimen a h4m:Specimen ;
    h4m:shape "round, proportional" ;
    h4m:initialDiameter    [ h4m:value 10.0  ; h4m:unit unit:MilliM ] ;
    h4m:initialGaugeLength [ h4m:value 50.0  ; h4m:unit unit:MilliM ] ;
    h4m:initialCrossSection [ h4m:value 78.54 ; h4m:unit unit:MilliM2 ] ;
    h4m:madeOf ex:material .

Ein gemeinsames Vokabular erleichtert den Vergleich mit Daten aus anderen Laboren. Für die fachliche Vergleichbarkeit müssen auch Werkstoffzustand, Probenform und Prüfbedingungen berücksichtigt werden.

FAIR: vier Anforderungen an gute Forschungsdaten

  • Findable (auffindbar): Jeder Datensatz hat einen eindeutigen Namen und Schlagworte, nach denen man filtern kann.
  • Accessible (zugänglich): Es ist klar, wie man auf die Daten zugreifen kann. Nach der öffentlichen Freigabe lassen sie sich im Portal herunterladen.
  • Interoperable (interoperabel): Gemeinsame Formate und ein gemeinsames Vokabular machen Daten unterschiedlicher Herkunft kombinierbar.
  • Reusable (wiederverwendbar): Vollständige Metadaten und eine offene Lizenz (CC BY 4.0) erlauben die Weiterverwendung.

Einen eindeutigen Datensatznamen vergeben

Aus dem Namen eines Datensatzes geht hervor, woher er stammt:

haw4mat-hso-s235jr-ws2526-zug-g03p02

Initiative · Hochschule · Werkstoff · Semester · Versuchstyp · Gruppe und Probe. Die einzelnen Bestandteile sind zugleich Schlagworte, nach denen man im Portal filtern kann, etwa alle Zugversuche an S235JR aus einem Semester.

Der Weg ins Portal

  1. Versuch durchführen
  2. Messdaten exportieren
  3. Metadaten erfassen
  4. Privat hochladen
  5. Datensatz prüfen
  6. Zur Veröffentlichung freigeben

Nach dem realen Versuch werden die Messdaten exportiert und mit den Metadaten beschrieben. Beide Dateien werden zunächst privat ins Portal hochgeladen. Erst nachdem die verantwortliche Person an der Hochschule den Datensatz geprüft hat, wird er öffentlich freigegeben. Die Freigabe und Übertragung erfolgen mit der Laborbetreuung; Sie müssen dafür nichts installieren.

Ihre Rolle

Für nachvollziehbare Ergebnisse gehen Sie wie folgt vor:

  • Messen Sie sorgfältig. Halten Sie Auffälligkeiten im Protokoll fest, etwa einen Bruch in der Einspannung oder ein verrutschtes Extensometer.
  • Erfassen Sie die Metadaten vollständig, insbesondere Probenabmessungen, Charge und Prüftemperatur.
  • Vergleichen Sie Ihre Kennwerte mit den Referenzwerten aus Abschnitt 7. Berücksichtigen Sie den Werkstoffzustand und die Probenform und begründen Sie mögliche Abweichungen.
  • Prüfen Sie vor einer Veröffentlichung, ob Dateien oder Metadaten personenbezogene Angaben enthalten. Verwenden Sie für öffentlich freigegebene Datensätze Gruppenkürzel statt Namen von Studierenden.

Im realen Prüfstand sehen Sie unter „Datenbank“ die gespeicherten Versuche und ihre Wissensgraphen. Unter „DataPortal-Upload“ prüfen Sie die Dateien und Angaben vor der Übertragung gemeinsam mit der Laborbetreuung.

Übung: Was fehlt?

Eine CSV-Datei enthält Zeit, Kraft und Längenänderung. Welche weiteren Angaben benötigen Sie für \(R_m\) und die Bruchdehnung \(A\)?

Übung: Name vergeben

Welcher Datensatzname passt zu diesem Versuch: Zugversuch, Vergütungsstahl 42CrMo4, Hochschule Offenburg, Sommersemester 2026, Gruppe 5, Probe 1? Wählen Sie eine Antwort.

Übung: Was gehört nicht in die Metadaten?

Welche Angabe gehört nicht in die öffentlich freigegebenen Metadaten?

Übung: Was erfasst die Maschine unmittelbar?

Welche beiden Größen werden während des Zugversuchs direkt gemessen?

Eigene Messdaten auswerten

Anzeige:

Messdiagramm — Kraft F über Längenänderung ΔL

Gespeicherte Versuche

Noch keine Versuche gespeichert. Führen Sie im Tab Versuch einen Zugversuch durch und klicken Sie auf Versuch speichern.

# Werkstoff Datenquelle i Modell L0 / mm i d0 / mm i E / MPa i ReH / Rp0,2 / MPa i ReL / MPa i Rm / MPa i Ag / % i A / % i Datum Download Löschen

Speichern Sie mindestens einen Versuch, um Kurven zu vergleichen.

Kennwerte der sichtbaren Versuche

Versuch Quelle E / GPa ReH / Rp0,2 / MPa ReL / MPa Rm / MPa Ag / % A / %

Keine Versuche ausgewählt.

Protokollübersicht

Dieses PDF ist Ihre Vorbereitung auf den Labortermin. Bearbeiten Sie die Abschnitte 1–7 und die virtuellen Versuche, exportieren Sie das Protokoll und bringen Sie es ins Labor mit. Abschnitt 8 bearbeiten Sie erst im Labor gemeinsam mit der Betreuung.

Grün bedeutet erledigt, Rot bedeutet noch offen. Über die Übungsnamen gelangen Sie direkt zur jeweiligen Aufgabe. Abschnitte ohne Pflichtübung werden als vollständig geführt.

    Gespeicherte Diagramme

    Noch keine Diagramme gespeichert. Erstellen Sie im Vergleich-Tab ein Diagramm und klicken Sie auf Diagramm speichern.

    PDF-Protokoll

    Das Protokoll enthält die Liste aller gespeicherten Versuche, alle gespeicherten Diagramme und einen QR-Code zur Verifizierung.

    Erst am Labortermin: der reale Zugversuch

    Im Labor nehmen Sie die Originaldaten an der Prüfmaschine selbst auf. Danach laden Sie die CSV-Datei im realen Prüfstand, werten sie aus und prüfen den Upload ins DataPortal gemeinsam mit der Betreuung.

    Ausblick: realer Versuch im Labor

    Gespeicherte Versuche (Ontologie-DB)

    Ontologie-Visualisierung

    Ontologie exportieren

    Jeder gespeicherte Versuch besitzt eine eigene TTL-Datei. Die kompakte Ansicht bündelt die Darstellung; vollständige RDF-Daten bleiben in der Expertenansicht und im Export verfügbar.

    Versuch oder Gesamtübersicht auswählen.

    SPARQL-Abfrage (Experten)

    Abfragen laufen über die Gesamt-Ontologie (alle Versuche); GRAPH ?g { … } adressiert einzelne Versuche.

    Versuch löschen

    Versuch löschen? Die zugehörige Probe wird dabei auch aus dem internen Bereich (QR-Verwaltung) entfernt.