Zugspannung

Zugspannung bezeichnet die innere Spannungsgröße, die einem Material entgegenwirkt, wenn es axial beansprucht wird. Es handelt sich um eine normale Spannung, deren Richtung parallel zur Längsachse verläuft. Für einen axialen Zug gilt engineering stress sigma = F/A0, wobei F die Zugkraft und A0 die ursprüngliche Querschnittsfläche des Probenquerschnitts ist.

Die Einheit der Zugspannung ist das Pascal (Pa); in der Praxis werden meist Megapascal (MPa) verwendet, da Werkstoffspannungen oft im Bereich von Millionen Pa liegen.

Im elastischen Bereich folgt die Spannung–Verformungs-Beziehung dem Hooke'schen Gesetz: sigma = E · epsilon, wobei E das Young'sche Modul (Elastizitätsmodul) und epsilon die relative Längenänderung ΔL/L0 ist.

Wichtige Kenngrößen aus dem Zugversuch sind Fließgrenze (Yield strength, charakterisiert durch die Proportionalgrenze oder 0,2%-Zugfestigkeit) und Zugfestigkeit (Ultimate tensile strength, UTS), die maximale mechanische Spannung vor der Bruchbildung.

Der Zugversuch ist ein Standardprüfverfahren: Eine dog-bone-förmige Probe wird schrittweise belastet, während Kraft und Verlängerung aufgezeichnet werden. Aus dem Spannungs-Dehnungs-Diagramm liefert man Kennwerte wie Fließgrenze, UTS, Dehnung bei Bruch und Reduktion der Querschnittsfläche.

Bei duktilen Werkstoffen führt ab einer bestimmten Belastung Necking zur lokalen Querschnittsverringerung bis zum Bruch; spröde Werkstoffe versagen oft ohne merkliche Vorankündigung. Temperatur, Belastungsgeschwindigkeit und Materialzustand beeinflussen das Spannungsverhalten.

Zugspannung ist eine zentrale Größe in der Auslegung von Bauteilen, Seilen und Kabeln sowie in nahezu allen Strukturen, die Zuglasten aufnehmen. Entsprechend werden Werkstoffe nach Fließgrenze und UTS bewertet, um Tragfähigkeit und Sicherheit sicherzustellen.