Zug-, Druck- und Biegeprüfung

Verstehen, wie Materialien unter verschiedenen Belastungen reagieren, ist der Schlüssel zur Entwicklung von Produkten, die den täglichen Anforderungen standhalten. Die Zug-, Druck- und Biegeprüfung spielt eine entscheidende Rolle bei der Untersuchung dieser Reaktionen, indem sie es ermöglicht, kritische mechanische Eigenschaften wie Festigkeit, Dehnbarkeit und Elastizität zu evaluieren.

Inhaltsverzeichnis

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Zug-, Druck- und Biegeprüfung zur Untersuchung mechanischer Eigenschaften in der Werkstoffprüfung

Kurz erklärt: Zug-, Druck- und Biegeprüfung

Zug-, Druck- und Biegeversuch gehören zu den zerstörenden Werkstoffprüfungen und werden eingesetzt, um die mechanischen Eigenschaften von Werkstücken zu bestimmen. Diese Methoden sind entscheidend für die Bewertung und Bestimmung der Festigkeit, Duktilität und Elastizität von Werkstoffen und gewährleisten, dass die Werkstoffe den spezifischen Anforderungen ihrer Einsatzgebiete gerecht werden.

Zug-, Druck- und Biegeprüfung zur Untersuchung mechanischer Eigenschaften in der Werkstoffprüfung

Zug-, Druck- und Biegeprüfung
bei Quality Analysis

Bei Quality Analysis bieten wir präzise Zug-, Druck- und Biegeprüfungen an, um die mechanischen Eigenschaften von Materialien gemäß international anerkannten Standards zu bestimmen. Mit modernen Prüfeinrichtungen, einer umfassenden Kenntnis der relevanten Regelwerke und viel praktischer Erfahrung stellen wir sicher, dass Sie detaillierte Einblicke in die Materialleistung erhalten, die für die Sicherstellung der Produktqualität und -zuverlässigkeit unerlässlich sind.

Zug-, Druck- und Biegeversuche: Zerstörende Werkstoffprüfungen

Als Teil der Materialwissenschaft ermöglichen diese zerstörenden Prüfverfahren eine detaillierte Materialanalyse. Sie werden eingesetzt, um Materialdefekte und potenzielle Schwachstellen in einem frühen Stadium zu identifizieren und dadurch Materialversagen zu vermeiden. In diversen Industrien – vom Bauwesen über den Fahrzeugbau bis zur Medizintechnik – werden sie deshalb eingesetzt, um die Sicherheit und Zuverlässigkeit von Produkten zu erhöhen. Außerdem sind sie Basis für die Materialauswahl, die Produktentwicklung und die Qualitätskontrolle.

Durchführung der Prüfverfahren

Die Durchführung dieser Prüfungen kann effizient mit einer Universalprüfmaschine gemäß DIN 51221 realisiert werden. Diese Prüfmaschinen bieten die notwendige Flexibilität und Präzision, um den vielfältigen Anforderungen der Zug-, Druck- und Biegeprüfungen gerecht zu werden und standardisierte wie auch spezifische Testszenarien abzudecken. Diese Prüfverfahren sind darauf ausgerichtet, ein umfassendes Verständnis der Festigkeits- und Verformungseigenschaften von Werkstoffen unter verschiedenen Belastungsarten zu erlangen.

Wie funktioniert eine Zugprüfung?

Zugprüfung zur Analyse der Festigkeit von Werkstoffen

Der Zugversuch ist eine grundlegende und am häufigsten durchgeführte Prüfmethode in der Werkstoffprüfung. Er bietet detaillierte Einblicke in das Festigkeits- und Verformungsverhalten von Werkstoffen unter einachsiger Zugbeanspruchung. Diese Methode ist nicht nur auf klassische Werkstoffe wie Metalle beschränkt, sondern findet auch Anwendung bei der Prüfung von Drähten, Garnen, Folien und gekerbten Prüfkörpern sowie bei komplexeren Bauteilgruppen.

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Durchführung des Zugversuchs

Im Rahmen des Zugversuchs werden standardisierte Proben mit definierten Querschnittsflächen bis zum Bruch gedehnt. Die Belastung wird dabei gleichmäßig, stoßfrei und mit geringer Geschwindigkeit gesteigert, um das Werkstoffverhalten unter kontrollierten Bedingungen zu ermitteln. Der Versuch kann quasi-statisch, mit stetig zunehmender Belastung, unter konstanter ruhender Belastung oder mit wechselnder Beanspruchung zur Ermittlung der zyklischen Spannungs-Dehnungskurve durchgeführt werden.

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Ermittelte Werkstoffkenngrößen

Die Zugprüfung liefert essenzielle Werkstoffkenngrößen, wie die Zugfestigkeit, das Elastizitätsmodul (E-Modul), die Streckgrenze (untere und obere), die Dehngrenze, die Bruchdehnung, die Gleichmaßdehnung und die Einschnürung. Diese Werte werden aus dem Kraft-Weg-Diagramm abgeleitet, das die auf den Prüfkörper wirkende Kraft und die Längenänderung in der Messstrecke aufzeichnet. Zudem kann der Versuch bei variierenden Temperaturen durchgeführt werden, um das Materialverhalten unter verschiedenen thermischen Bedingungen zu untersuchen.

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Berechnung und Dimensionierung von Bauteilen

Die im Zugversuch ermittelten mechanischen Eigenschaften sind von kritischer Bedeutung für die Berechnung und Dimensionierung von Bauteilen, die Charakterisierung der Verarbeitungseigenschaften von Materialien sowie die Qualitätskontrolle in der Produktion und die Werkstoffauswahl. Mit der zunehmenden Integration kontaktloser, optischer Messgeräte wird die Präzision der Messergebnisse weiter gesteigert.

Druckprüfung – Werkstoffeigenschaften unter Kompression

Druckprüfung zur Analyse von spröden Werkstoffen und Metallen

Diese Prüfmethode ist von grundlegender Bedeutung für das Verständnis des Verhaltens von Materialien unter kompressiven Belastungen, insbesondere von spröden Baustoffen und Metallen. Ergänzt durch tribologische Betrachtungen, die die Wechselwirkung zwischen Materialoberflächen unter Belastung untersuchen, können Materialien nicht nur auf ihre Festigkeit und Deformierbarkeit hin bewertet, sondern auch auf ihre Langzeitbeständigkeit und Zuverlässigkeit in tribologischen Systemen optimiert werden.

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Durchführung des Druckversuchs

Bei Druckversuchen werden Materialproben unterschiedlichen Belastungen ausgesetzt, um deren Verformungs- und Bruchverhalten unter Druck zu analysieren. Es gibt verschiedene Arten von Druckprüfungen, darunter den Zylinderstauchversuch und den Kraftversuch, die jeweils spezifische Einblicke in die mechanischen Eigenschaften der Materialien bieten. Während des Zylinderstauchversuchs wird eine zylindrische Probe komprimiert, um das Verhalten des Materials bei Stauchung zu untersuchen. Beim Kraftversuch hingegen wird die aufgebrachte Kraft gemessen, um das Materialverhalten unter verschiedenen Laststufen zu bewerten.

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Ermittelte Kennwerte

Das primäre Ergebnis eines Druckversuchs ist das Spannungs-Dehnungs-Diagramm, das wichtige Informationen über die mechanischen Eigenschaften des Materials liefert. Analog zur Streckgrenze im Zugversuch, kennzeichnet die Quetschgrenze im Druckversuch den Punkt, an dem das Material anfängt, sich plastisch zu verformen. Dieses Diagramm ermöglicht es, die Fließkurven des Materials zu bestimmen und liefert Aufschluss über die Belastbarkeit und das Verformungsverhalten unter Druck. Die Analyse der Spannungs-Dehnungskurve aus dem Druckversuch unterstützt nicht nur die Materialauswahl, sondern spielt auch eine wichtige Rolle in der Qualitätskontrolle und der Entwicklung neuer Materialien mit verbesserten Eigenschaften.

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Bedeutung der Ergebnisse

Die im Druckversuch gewonnenen Daten sind für die Bewertung der Eignung von Materialien für Anwendungen entscheidend, in denen diese hohen kompressiven Belastungen ausgesetzt sind. Die Bestimmung der Quetschgrenze und der Fließkurve ist insbesondere für die Konstruktion und Sicherheitsbewertung von Bauwerken und maschinellen Bauteilen bedeutend, da sie helfen, Materialversagen zu vermeiden und die strukturelle Integrität zu gewährleisten.

Was ist die Biegeprüfung?

Biegeprüfung zur Analyse von Werkstoffen unter Biegespannung
© ZwickRoell GmbH & Co. KG

Die Biegeprüfung liefert wertvolle Erkenntnisse über das Verhalten von Werkstoffen unter Biegespannung. Die Probenlagerung sowie die Anzahl und Art der Lasteinleitungen variieren je nach Versuchsaufbau, was den Biegeversuch zu einem flexiblen und aussagekräftigen Prüfverfahren macht.

Durchführung des Biegeversuchs und ermittelte Kennwerte

Die Spannungs-Dehnungs-Linie, die aus den aufgezeichneten Werten der Biegekraft und Durchbiegung ermittelt wird, ist ein zentrales Ergebnis dieses Versuchs. Abhängig von der Versuchsart kommen unterschiedliche Prüfeinrichtungen zum Einsatz. Wesentlich ist, dass die Lasteinleitungen und Auflager parallel und abgerundet (oft in Form von Rollen) gestaltet sind, um eine gleichmäßige Kraftverteilung zu gewährleisten. Bei nicht planparallelen Probenoberflächen müssen Lasteinleitungen und mindestens ein Auflager kippbar gelagert sein, um lediglich linienförmigen Kontakt mit dem Prüfkörper zu haben.

Arten des Biegeversuchs

Die Methodik des Biegeversuchs unterscheidet sich hauptsächlich in der Art, wie die Belastung auf die Probe aufgebracht wird, was zu unterschiedlichen Anwendungen und Vorteilen führt:

2-Punkt-Biegeversuch:

auch bekannt als einfacher Biegeversuch. Hier wird die Kraft an zwei Punkten entlang der Probe angewendet. Diese Methode ist zwar einfach durchzuführen, führt jedoch zu einer ungleichmäßigen Spannungsverteilung über die Probenlänge und wird oft für qualitative Vergleiche genutzt.

3-Punkt-Biegeversuch:

Hier liegt die Probe auf zwei Stützen und die Kraft wird durch einen Druckstempel in der Mitte aufgebracht, was eine gleichmäßige Biegebelastung erzeugt. Diese Versuchsanordnung ist ideal für die Bestimmung der Biegefestigkeit und wird häufig bei Kunststoffen, Keramiken und dünnen Metallblechen angewendet.

4-Punkt-Biegeversuch:

Er erweitert das 3-Punkt-Design um zwei zusätzliche Belastungspunkte, wodurch eine konstante Biegemomentzone entsteht. Dies führt zu einer gleichmäßigeren Spannungsverteilung und ermöglicht detailliertere Analysen, besonders bei Materialien, die anfällig für oberflächennahe Defekte sind.

Anwendungsgebiete

Automobilindustrie

Die Zug-, Druck- und Biegeprüfungen tragen zur Entwicklung sicherer und leistungsfähiger Fahrzeuge bei. Durch die Bewertung der Festigkeit und Duktilität von Metallen, Verbundwerkstoffen und Kunststoffen unter Zug-, Druck- und Biegebelastungen werden Materialien bestimmt, die den hohen Sicherheits- und Leistungsanforderungen in dieser Branche gerecht werden.

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Luft- und Raumfahrtindustrie

In der Luft- und Raumfahrtbranche sin Zug-, Druck- und Biegeprüfungen essenziell, da sie die Festigkeit und Zuverlässigkeit von Materialien und Bauteilen prüfen. So können Materialien bestimmt werden, die den hohen Sicherheits- und Leistungsanforderungen in dieser Branche gerecht werden. Außerdem detektieren die Tests frühzeitig Materialfehler und helfen so, die Sicherheit sowie die Lebensdauer von Flugzeugen und Raumfahrzeugen zu gewährleisten.

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Materialwissenschaften und Werkstoffprüfung

Materialwissenschaft und Werkstoffprüfung

In der Materialforschung ermöglichen diese Prüfverfahren die Charakterisierung neuer Materialien und die Optimierung ihrer mechanischen Eigenschaften für spezifische Anwendungen. Sie sind essenziell für die Entwicklung innovativer Materialien mit verbesserten Festigkeits-, Dehnungs- und Verformungseigenschaften.

Medizintechnik

In der Medizintechnik sind Zug-, Druck- und Biegeversuche wichtig für die Bewertung von Biomaterialien, Implantaten und anderen medizinischen Geräten. Die Prüfungen stellen sicher, dass diese Materialien den Belastungen im menschlichen Körper standhalten können.

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Computerchip auf Platine
© Patrick Daxenbichler – stock.adobe.com

Elektronikindustrie

Die drei Prüfmethoden spielen eine Rolle bei der Entwicklung und Prüfung von elektronischen Bauelementen und Gehäusen, indem sie deren mechanische Integrität unter Belastung bewerten. Dies ist besonders relevant für tragbare Elektronik, die häufig mechanischen Belastungen ausgesetzt ist.

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Zug-, Druck- und Biegeprüfung kurz zusammengefasst

Anhand von Zug-, Druck und Biegeversuchen kann eine einfache Charakterisierung wichtiger mechanischer Eigenschaften von Proben erzielt werden. So lassen sich Aussagen zu kritischen mechanischen Eigenschaften wie Festigkeit, Dehnbarkeit und Elastizität treffen. Diese Belastungsproben helfen bei der Entwicklung von Produkten, die den täglichen Anforderungen standhalten, etwa in der Automobil- und Luftfahrtindustrie, der Medizintechnik oder der Elektroindustrie.

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Jasmin Martini

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