Bruchdehnung: Definition, Messung und Bedeutung im Design

Die Bruchdehnung ist einer der wichtigsten Parameter auf den Abnahmezeugnissen der Werkstoffe. Sie gibt an, wie stark sich ein Werkstoff unter Last plastisch verformt, bevor er bricht, und ist ein grundlegender Parameter zur Beurteilung seiner Duktilität. Für den Konstrukteur ist es eine wesentliche Angabe: Sie ermöglicht es, Werkstoffe, die progressiv nachgeben, mit einer sichtbaren Verformung vor dem Bruch, von jenen zu unterscheiden, die plötzlich brechen. Dieser Wert beeinflusst viele Konstruktionsentscheidungen, von der Auswahl eines Baustahls bis zur Beurteilung der Umformbarkeit eines Blechs.

In diesem Leitfaden sehen wir uns an, was die Bruchdehnung ist, wie sie gemäß den Normen gemessen wird, worin der Unterschied zwischen den wichtigsten verwendeten Kurzzeichen besteht (A5, A10, A80mm, Agt) und welche die typischen Werte der gängigsten Werkstoffe sind.

Was ist die Bruchdehnung

Die Bruchdehnung, mit dem Symbol A (oder A%) angegeben, ist die bleibende plastische Verformung, die an einer Probe nach dem Bruch während einer Zugprüfung gemessen wird. Sie wird als Prozentsatz der Anfangslänge des nutzbaren Bereichs ausgedrückt.

In der Praxis werden vor der Prüfung zwei Bezugsmarken auf der Probe angebracht und der Anfangsabstand zwischen ihnen gemessen. Die Probe wird dann bis zum Bruch auf Zug beansprucht. An diesem Punkt werden die beiden Bruchstücke wieder aneinandergefügt und der neue Abstand zwischen denselben Bezugsmarken gemessen. Die Längenzunahme, ausgedrückt in Prozent gegenüber der Anfangslänge, entspricht der Bruchdehnung.

Die Formel lautet:

A = [(Lf −L₀) /L₀] × 100 [%]

wobei:

• L₀ = Anfangslänge
• Lf = Endlänge nach dem Bruch

Die Bruchdehnung hat keine Maßeinheit: Es ist eine dimensionslose Größe, normalerweise in Prozent ausgedrückt.

Was ist der Unterschied zwischen Bruchdehnung und Duktilität?

Die beiden Begriffe sind eng verbunden, aber keine Synonyme.

Die Duktilität ist die allgemeine Fähigkeit eines Werkstoffs, sich plastisch zu verformen, bevor er bricht. Die Bruchdehnung hingegen ist der numerische Parameter, der es ermöglicht, diese Fähigkeit während der Zugprüfung zu quantifizieren.

Ein weiterer wichtiger Indikator der Duktilität ist die Brucheinschnürung (Z%), die die prozentuale Reduzierung des Probenquerschnitts im Bruchbereich misst.

Im Allgemeinen weist ein Werkstoff mit hohem A% ein duktiles Verhalten auf, weil er sich vor dem Bruch merklich verformen kann. Umgekehrt gilt ein Werkstoff mit sehr niedrigem A%, typischerweise unter 5%, als spröde oder wenig duktil, da er dazu neigt, mit einer begrenzten plastischen Verformung zu brechen.

Wie wird die Bruchdehnung gemessen

Die Messung ist durch die Normen UNI EN ISO 6892-1 für metallische Werkstoffe bei Raumtemperatur, ISO 6892-2 für Warmprüfungen und ISO 527 für Polymere geregelt. Das Standardverfahren sieht vor:

• das Anbringen der Bezugsmarken auf dem nutzbaren Bereich der Probe vor der Prüfung, im Abstand von L₀;
• die Durchführung der Zugprüfung gemäß Norm, bis zum Bruch;
• das Wiederzusammenfügen der beiden Bruchstücke der Probe, wobei die Bruchflächen korrekt in Deckung gebracht und die Probe gut ausgerichtet gehalten werden;
• die Messung des Abstands Lf zwischen den beiden Bezugsmarken;
• die Berechnung von A mit der zuvor angegebenen Formel.

Neben der manuellen Messung nach dem Bruch werden heute zunehmend häufig Kontakt-Dehnungsaufnehmer oder optische Systeme, wie Video-Dehnungsaufnehmer, verwendet, die die Verformung der Probe während der Prüfung kontinuierlich aufzeichnen. Diese Instrumente ermöglichen es, automatisch verschiedene Dehnungsparameter zu bestimmen, darunter die Bruchdehnung und spezifischere Werte wie Agt (Gesamtdehnung bei Höchstkraft).

Was bedeuten die Kurzzeichen A5, A10 und A80mm?

Die Bruchdehnung hängt von der Messlänge L₀ ab. Bei gleichem Werkstoff neigt eine Probe mit kürzerer L₀ dazu, einen höheren A%-Wert zu liefern, weil die im Einschnürbereich lokalisierte Verformung sich stärker auf die betrachtete Gesamtlänge auswirkt.

Aus diesem Grund muss der Bruchdehnungswert stets zusammen mit der verwendeten Messbasis angegeben werden. Die gängigsten Kurzzeichen sind:

• A5 → proportionale ISO-Probe mit L₀ = 5d (k = 5,65·√S₀ für runde und flache Proben). Es ist der europäische Standard.
• A10 → Probe mit L₀ = 10d. Älter, in einigen Lastenheften noch verwendet. Bei gleichem Werkstoff fällt der Wert von A10 niedriger aus als der von A5.
• A50mm, A80mm → nicht proportionale Proben, mit fester Messlänge (50 mm oder 80 mm). Verwendet für dünne Bleche und Produkte, bei denen die proportionale Geometrie nicht angewendet werden kann.
• A4d (ASTM) → amerikanischer Standard, mit L₀ = 4d. Er erzeugt leicht höhere Werte als der ISO-A5.

A%-Werte, die mit unterschiedlichen Messbasen gemessen wurden, sind nicht direkt vergleichbar. In Lastenheften, technischen Datenblättern und Abnahmezeugnissen ist es daher notwendig, stets die verwendete Referenz anzugeben, zum Beispiel A₅ ≥ 22% oder A₈₀mm ≥ 18%.

Bruchdehnung, Gleichmaßdehnung und Dehnung bei Höchstkraft

Auf dem Abnahmezeugnis eines Werkstoffs können verschiedene mit der Dehnung verbundene Parameter erscheinen, die sich jeweils auf eine spezifische Phase der Zugprüfung beziehen:

• A (Bruchdehnung): die nach dem Bruch an der wiederzusammengefügten Probe gemessene bleibende plastische Verformung.
• Ag (plastische Dehnung bei Höchstkraft): die bei der Höchstkraft erreichte plastische Verformung, also bevor die Einschnürung dominant wird. Sie wird mittels Dehnungsaufnehmer gemessen.
• Agt (Gesamtdehnung bei Höchstkraft): ähnlich wie Ag, umfasst aber auch die elastische Komponente der Verformung.
• Au (Gleichmaßdehnung): gibt die entlang des nutzbaren Bereichs der Probe homogen verteilte Verformung an, vor der Lokalisierung der Einschnürung.

Zur Beurteilung der Umformbarkeit von Blechen, zum Beispiel bei Tiefzieh- oder Biegevorgängen, sind die mit der gleichmäßigen Verformung verbundenen Parameter, wie Ag oder Au, besonders wichtig, mehr als die alleinige Bruchdehnung A. Sobald die Einschnürung beginnt, ist die Verformung nämlich nicht mehr homogen verteilt: Sie konzentriert sich in einem begrenzten Bereich, und der Werkstoff ist lokal bereits beeinträchtigt.

Für die strukturellen Nachweise und die Duktilitätsanforderungen hingegen hängt der zu berücksichtigende Parameter von der anwendbaren Norm und der Produktart ab.

Typische Bruchdehnungswerte für Industriewerkstoffe

Nachfolgend die Richtwerte für A% für die gängigsten Werkstoffe im Standard-Lieferzustand.

Die Werte sind stets auf den 3.1-Zeugnissen der spezifischen Charge zu bestätigen und beziehen sich auf die angegebene Prüfnorm.

Wie hoch ist der Mindestdehnungswert für Baustähle?

Die Eurocodes und die Produktnormen schreiben Mindest-A%-Werte vor, um die für das strukturelle Verhalten erforderliche Duktilität zu gewährleisten. Für die Baustähle S235, S275 und S355 gemäß EN 10025 beträgt die geforderte Mindestdehnung in der Regel A ≥ 20-22% (an einer ISO-Probe L₀ = 5,65·√S₀), mit der zusätzlichen Bedingung Rm/Re ≥ 1,10, um eine Verfestigungsreserve vor dem Bruch sicherzustellen. Für Betonstähle (EN 10080) sind noch strengere Anforderungen an die Gesamtdehnung bei Höchstkraft Agt vorgesehen.

Faktoren, die die Bruchdehnung beeinflussen

Die Bruchdehnung ist ein Parameter, der gegenüber den Prüfbedingungen und der Mikrostruktur des Werkstoffs viel empfindlicher ist als die Streckgrenze und die Zugfestigkeit. Die wichtigsten Faktoren, die sie beeinflussen, sind:

• Messlänge L₀ → bei gleichem Werkstoff sind A%-Werte, die auf unterschiedlichen Basen gemessen wurden, nicht vergleichbar.
• Prüftemperatur → Bei den meisten Metallen nimmt die Duktilität mit steigender Temperatur zu. Umgekehrt können bei ferritischen Stählen und Gusseisen niedrige Temperaturen einen Spröd-duktil-Übergang bewirken, mit einer daraus folgenden drastischen Reduzierung des A%.
• Dehngeschwindigkeit → Höhere Dehngeschwindigkeiten neigen im Allgemeinen dazu, die Dehnung zu reduzieren, vor allem bei Polymeren und bei Legierungen, die gegenüber der Dehngeschwindigkeit empfindlich sind.
• Wärmebehandlung und Lieferzustand → Die Wärmebehandlung beeinflusst die Duktilität erheblich. Zum Beispiel hat ein geglühter Stahl ein weit höheres A% als derselbe Stahl im vergüteten Zustand; ebenso hat ein kaltverfestigtes Messing ein niedrigeres A% als das geglühte.
• Entnahmerichtung der Probe → Bei gewalzten Produkten ist die in Walzrichtung gemessene Dehnung im Allgemeinen höher als die in Querrichtung ermittelte und, noch mehr, als die in Dickenrichtung gemessene.
• Bruchlage → ein Bruch außerhalb des nutzbaren Bereichs oder zu nahe an den Bezugsmarken macht die Messung gemäß ISO 6892-1 ungültig.
• Metallurgische Qualität → Einschlüsse, Seigerungen, Porositäten und innere Defekte können die Duktilität drastisch reduzieren, auch wenn die übrigen mechanischen Parameter den Spezifikationen entsprechen. Ein A%-Wert, der niedriger ist als erwartet, stellt oft eines der ersten Anzeichen eines möglichen Qualitätsproblems des Werkstoffs dar.

Warum die Bruchdehnung für den Konstruierenden wichtig ist

Für den Konstrukteur ist die Bruchdehnung A% viel mehr als ein einfacher, auf dem Werkstoffzeugnis angegebener Wert. Es ist ein grundlegender Sicherheitsindikator.

Ein duktiler Werkstoff zeigt vor dem Bruch sichtbare makroskopische Verformungen, die eine Überlastungssituation im Betrieb signalisieren können. Ein spröder Werkstoff hingegen kann plötzlich und katastrophal versagen, ohne offensichtliche Vorwarnzeichen.

Aus diesem Grund schreiben die Eurocodes und die wichtigsten Berechnungscodes, wie ASME, VSR und AD-Merkblätter, Mindest-Bruchdehnungswerte vor. Diese Anforderungen dienen dazu, zu gewährleisten, dass das Bauteil über eine ausreichende Fähigkeit verfügt, sich vor dem Kollaps zu verformen, und dass sich die Spannungen in den am stärksten beanspruchten Bereichen umverteilen können.

Im Bereich der Umformung tragen das A% und, noch mehr, die Parameter Au und Ag dazu bei, die Machbarkeit von Vorgängen wie Tiefziehen, Biegen und Prägen zu bestimmen. Ein Blech mit zu niedriger Dehnung neigt nämlich dazu, zu reißen, bevor es die endgültige Geometrie erreicht.

Im Bereich des Schweißens ist ein duktiler Werkstoff im Allgemeinen besser in der Lage, die durch die Verbindung erzeugten Eigenspannungen zu tolerieren, wodurch das Risiko von Rissen und lokalisierten Versagen reduziert wird.

In der Schadensanalyse stellt die an einer aus einem versagten Bauteil entnommenen Probe gemessene Dehnung, verglichen mit dem gemäß der Werkstoffspezifikation erwarteten Wert, einen der unmittelbarsten diagnostischen Indikatoren dar. Ein anormaler Wert kann eine Werkstoffdegradation, eine Wasserstoffversprödung, eine fehlerhafte Wärmebehandlung oder eine fehlende Konformität mit der Lieferspezifikation signalisieren.

Zusammengefasst bedeutet das korrekte Lesen der Bruchdehnung, Werkstoffe mit einer angemessenen Sicherheitsreserve zu wählen, bewusst mit den Lieferanten zu kommunizieren und Versagen im Betrieb vorzubeugen.

Fazit

Die Bruchdehnung ist einer der aussagekräftigsten Parameter der Zugprüfung. Sie misst nicht nur die Duktilität des Werkstoffs, sondern liefert wertvolle Hinweise auf die metallurgische Qualität, die Sicherheit des Bauteils und seine Eignung für Umformprozesse.

Um sie korrekt zu interpretieren, ist es grundlegend, die verwendete Referenz zu kennen, zum Beispiel A5, A80mm oder A4d, sie mit den für den spezifischen Werkstoff erwarteten Werten zu vergleichen und sie zusammen mit den übrigen Parametern der Zugprüfung zu bewerten, wie Streckgrenze, Zugfestigkeit und Einschnürung.

Wenn es auf die richtige Weise gelesen wird, wird das A% zu einem wesentlichen Werkzeug, um sicherere Bauteile zu konstruieren, zuverlässige Lieferanten auszuwählen und etwaige Werkstoff- oder Betriebsprobleme rechtzeitig zu erkennen.

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Häufig gestellte Fragen zur Bruchdehnung