Der Unterschied in der Kraftmessung: Dehnung versus Spannung

In der Materialwissenschaft und bei Strukturtests werden Spannung und Dehnung häufig gemeinsam behandelt, obwohl sie grundlegend unterschiedliche physikalische Vorgänge beschreiben. Für Ingenieure und Prüflabore, die hochpräzise Wägezellen und Drehmomentaufnehmer einsetzen, ist die Unterscheidung zwischen beiden entscheidend – für die Definition von Testparametern, die Auswahl geeigneter Sensorkapazitäten und die Interpretation von Daten aus dem elastischen und plastischen Bereich eines Materials.

Innere Kraft im Vergleich zur geometrischen Verformung

Grundsätzlich ist Spannung eine innere Kraftverteilung. Wenn eine äußere Last auf einen festen Körper wirkt, entstehen innere Widerstandskräfte, die dieser Last entgegenwirken. Mathematisch ausgedrückt ist sie die aufgebrachte Kraft pro Flächeneinheit. In einer Prüfumgebung misst die Wägezelle die Gesamtkraft, während die Spannung aus der Querschnittsgeometrie des Prüfkörpers berechnet wird.

Dehnung hingegen ist ein dimensionsloses Maß für die Verformung. Sie beschreibt die Verschiebung zwischen Partikeln im Materialkörper bezogen auf eine Referenzlänge. Die technische Dehnung ist definiert als die Längenänderung dividiert durch die ursprüngliche Länge. Während die Spannung beschreibt, was das Material innerlich „fühlt“, beschreibt die Dehnung, wie es physisch reagiert oder sich bewegt. In diesem Interface Tech Talk untersuchen wir die Beziehung und die Unterschiede bei der Prüfung.

Messtechnik und Sensorintegration

Die Beziehung zwischen Spannung und Dehnung ist grundlegend für die Sensorauswahl. Die Spannungsmessung basiert auf dem direkten Ausgangssignal einer Wägezelle. Die Genauigkeit der Spannung hängt von der Linearität des Sensors und der Präzision der bekannten Abmessungen des Prüfkörpers ab. Wägezellen verwenden intern Dehnungsmessstreifen, die auf einen Federkörper aufgeklebt sind. Der Sensor nutzt seine eigene kontrollierte innere Dehnung, um ein elektrisches Signal zu erzeugen, das die äußere Spannung am Prüfobjekt repräsentiert.

Die Beziehung zwischen Spannung und Dehnung wird durch die konstitutiven Gleichungen des Materials bestimmt, insbesondere durch den Elastizitätsmodul (Young’s Modulus) innerhalb der Elastizitätsgrenze.

Die Bestimmung des Elastizitätsmoduls eines Materials – dem Verhältnis von Spannung zu Dehnung – ist der Punkt, an dem die Präzision des Sensors entscheidend wird. Dafür muss die Wägezelle einen hochsynchronisierten Kraftmesswert genau in dem Moment liefern, in dem die Verschiebung (Dehnung) erfasst wird. Jede Verzögerung oder Nichtlinearität im Ausgangssignal der Wägezelle führt zu einer fehlerhaften Modulberechnung und damit zu verfälschten Daten über die Steifigkeit des Materials.

Materialverhalten und Prüfmethoden bei Spannung und Dehnung

Der Unterschied ist bei der Prüf- und Messtechnik besonders wichtig, wenn verschiedene Materialklassen bewertet werden. Spröde Materialien wie Keramik oder hochkohlenstoffhaltige Stähle weisen eine hohe Spannung bei minimaler Dehnung auf, bevor es zum katastrophalen Versagen kommt. Duktile Materialien wie Aluminium oder Polymere zeigen eine deutliche Dehnung und häufig eine Einschnürungsphase, in der sich das Material weiter verformt, obwohl die Spannungswerte schwanken.

Spannungsgesteuerte Prüfung

Spannungsprüfungen bewerten die maximale Festigkeit eines Objekts und helfen dabei, Schwachstellen oder Konstruktionsfehler zu identifizieren. In diesen Szenarien hält das Prüfsystem eine bestimmte Last oder einen bestimmten Druck aufrecht, unabhängig davon, wie stark sich das Material verformt. Dies ist bei Kriechprüfungen oder Ermüdungsanalysen üblich, bei denen eine Komponente über lange Zeiträume einem konstanten oder wechselnden Innendruck standhalten muss. Die Wägezelle dient als primäre Regelgröße für den Aktuator und stellt sicher, dass die Kraft konstant bleibt, auch wenn das Material beginnt zu versagen oder sich zu dehnen.

Die Auswahl von Wägezellen mit nachweisbarer Kalibrierung erhöht die Zuverlässigkeit der Spannungsprüfergebnisse. Vier Spezifikationen müssen vor der Auswahl einer Wägezelle für die Spannungsprüfanwendung berücksichtigt werden:

• Mechanisch: Abmessungen und Montage
• Elektrisch: Ausgangssignal und Speisung
• Umgebung: Temperatur und Feuchtigkeit
• Leistung: Genauigkeit und thermisches Verhalten

TIPP: Lesen Sie unseren 101-Serie-Artikel Stress Testing 101.

Dehnungsgesteuerte Prüfung

Wägezellen, die bei Dehnungsprüfungen eingesetzt werden, liefern wertvolle Daten zur Materialauswahl, zur Designoptimierung und zur Sicherstellung von Produktsicherheit und -leistung in verschiedenen Branchen. Dies erfordert ein System, das sich mit einer konstanten Verformungsrate bewegt. Es ist der Standard für Zug- und Druckprüfungen zur Bestimmung der Streckgrenze und der Zugfestigkeit. Durch die Kontrolle der Dehnungsrate können Labore beobachten, wie sich die innere Spannung durch den elastischen Bereich, die Streckgrenze und in den plastischen Bereich entwickelt, in dem dauerhafte Verformung auftritt.

Durch die Messung der Dehnung unter kontrollierten Belastungsbedingungen können Ingenieure bestimmen:

• Streckgrenze – der Punkt, an dem sich das Material dauerhaft verformt.
• Zugfestigkeit – die maximale Spannung, die ein Material vor dem Bruch aufnehmen kann.
• Elastizitätsgrenze – die Spannungsgrenze, oberhalb derer das Material nach Entlastung nicht mehr in seine ursprüngliche Form zurückkehrt.
• Ermüdungsfestigkeit – wie gut das Material wiederholte Be- und Entlastungszyklen toleriert.

TIPP: Lesen Sie unseren 101-Serie-Artikel Strain Testing 101.

Anwendungsbeispiele für Spannungs- und Dehnungsmessungen

Spannungsmessung an Verbundwerkstoff-Befestigungselementen in der Luft- und Raumfahrt – In dieser Anwendung wird eine Durchgangsloch-Lastscheiben-Wägezelle eingesetzt, um die Spannung zu überwachen, die bei der Montage auf ein Verbundgelenk aufgebracht wird. Ziel ist es, eine bestimmte Vorspannung (Spannung) zu erreichen, ohne die Verbundfasern zu beschädigen. Die Wägezelle liefert Echtzeit-Kraftdaten, die durch die Auflagefläche des Schraubenkopfes dividiert werden, um die Druckspannung zu berechnen. Dies stellt sicher, dass die Verbindung fest genug ist, um Vibrationen zu widerstehen, aber unterhalb der Spannungsgrenze bleibt, die eine Materialdelamination verursachen würde. Hier ist ein weiteres konkretes Beispiel eines Flugzeugherstellers, der eine Interface-Lösung zur Drehmomentsteuerung beim Festziehen von Schrauben an seinen Flugzeugmodellen einsetzte, um Materialbeschädigungen und übermäßiges Drehmoment zu vermeiden.

Dehnungsmessung bei Elastizitätstests an medizinischen Schläuchen – Zur Bestimmung des Berstpunkts und der Elastizität von medizinischen Silikonschläuchen wird eine MB Miniature Beam Wägezelle mit geringer Kapazität in einen motorisierten Prüfstand integriert. Während der Prüfstand den Schlauch mit konstanter Geschwindigkeit zieht, erfasst die Wägezelle die Widerstandskraft, während ein Extensometer die Verlängerung verfolgt. Die Daten ermöglichen es Prüflaboren für Medizinprodukte und Qualitätsingenieuren, die Dehnung – die prozentuale Streckung bezogen auf die ursprüngliche Länge – gegen die Kraft aufzutragen. So wird die maximale Dehnung ermittelt, die der Schlauch aufnehmen kann, bevor er seine Fähigkeit zur Rückkehr in die ursprüngliche Form verliert – ein kritischer Sicherheitsfaktor bei Flüssigkeitsverabreichungssystemen.

Überlegungen für das Prüflabor

Das Verständnis des Zusammenspiels zwischen Kraft (Spannung) und Verschiebung (Dehnung) ermöglicht eine präzise Kalibrierung der Prüfgrenzen. Ingenieure müssen sicherstellen, dass die Zellkapazität hoch genug ist, um die Spitzenspannung des Materials zu erfassen, ohne in den plastischen Verformungsbereich des Sensors selbst zu gelangen – und gleichzeitig muss das Datenerfassungssystem die Auflösung besitzen, um die kleinsten Dehnungsinkremente zu erfassen, die die strukturelle Integrität des Materials definieren.

Bei Fragen zum richtigen Sensor für Ihre spezifische Spannungs- oder Dehnungsprüfanwendung wenden Sie sich bitte an unsere erfahrenen Applikationsingenieure.