Wer die Zugfestigkeit von Stahl beurteilen möchte, sollte nicht nur einen einzelnen Zahlenwert betrachten. Je nach Stahlsorte, Wärmebehandlung, Bauteildicke und Werkstoffzustand können sich die mechanischen Eigenschaften deutlich unterscheiden. Besonders im Maschinenbau sind neben der Zugfestigkeit auch die Streckgrenze, die Bruchdehnung und die konkrete Beanspruchungsart entscheidend.

Die Zugfestigkeit wird mit Rm bezeichnet und üblicherweise in N/mm² beziehungsweise MPa angegeben. Sie beschreibt die maximale Zugspannung, die ein Werkstoff im Zugversuch erreicht. Für die praktische Werkstoffauswahl reicht dieser Wert allein jedoch nicht aus.

In diesem Ratgeber erfahren Sie, was die Zugfestigkeit von Stahl bedeutet, wie sie bestimmt wird, welche Werte typische Stahlsorten erreichen und warum die Unterscheidung zwischen Zugfestigkeit und Streckgrenze für Konstruktion und Fertigung wichtig ist.

Die Zugfestigkeit ist ein Kennwert für die mechanische Festigkeit eines Werkstoffs. Sie gibt die maximale Spannung an, die ein Stahl während eines normierten Zugversuchs erreicht.

Das Formelzeichen lautet:

Rm = Fm / A0

Dabei steht:

• Rm = Zugfestigkeit in N/mm² bzw. MPa
• Fm = maximale Zugkraft
• A0 = ursprünglicher Querschnitt der Zugprobe

Ein Stahl mit einer Zugfestigkeit von beispielsweise 600 N/mm² erreicht im Zugversuch somit eine maximale technische Zugspannung von 600 MPa.

Wichtig ist dabei: Die Zugfestigkeit ist nicht die Kraft, die ein komplettes Bauteil tatsächlich aufnehmen kann. Für ein reales Bauteil müssen unter anderem Geometrie, Querschnitt, Kerben, Oberflächenzustand, Belastungsart und Sicherheitsfaktoren berücksichtigt werden.

Die Zugfestigkeit wird im Zugversuch aus der maximal erreichten Kraft bezogen auf den ursprünglichen Querschnitt der Probe bestimmt.

Bei der Beurteilung von Stahl werden die Begriffe Zugfestigkeit und Streckgrenze häufig gemeinsam genannt. Sie beschreiben jedoch unterschiedliche Bereiche des Werkstoffverhaltens.

Die Streckgrenze beschreibt vereinfacht den Übergang zu einer bleibenden plastischen Verformung. Wird ein Bauteil bis in diesen Bereich belastet, kann es nach der Entlastung seine ursprüngliche Form nicht mehr vollständig zurückerlangen.

Die Zugfestigkeit Rm wird dagegen erst bei der maximalen technischen Spannung im Zugversuch erreicht.

Bei Stählen ohne eindeutig ausgeprägte Streckgrenze wird häufig die 0,2-%-Dehngrenze Rp0,2 verwendet. Sie kennzeichnet die Spannung, bei der nach der Entlastung eine bleibende Dehnung von 0,2 % definiert wird.

Für die technische Auslegung ist deshalb die Frage entscheidend:

Soll ein Bauteil dauerhaft verformungsfrei bleiben oder geht es um den maximal erreichbaren Bruchwiderstand?

In vielen Konstruktionen ist die Streckgrenze für die Dimensionierung mindestens genauso wichtig wie die Zugfestigkeit.

Eine allgemeingültige „Zugfestigkeit von Stahl“ gibt es nicht. Stahl ist eine große Werkstoffgruppe mit sehr unterschiedlichen Eigenschaften.

Zum Vergleich: Ein Baustahl wie S235JR besitzt nach den typischen Kennwerten eine Zugfestigkeit von etwa 360 bis 510 N/mm². Bei S355 liegen die Werte je nach Ausführung beispielsweise bei etwa 470 bis 630 N/mm². Höherfeste Vergütungsstähle können deutlich höhere Werte erreichen.

Die konkreten Werte hängen unter anderem von Werkstoffnorm, Abmessung und Zustand ab. Hersteller- und Normtabellen müssen deshalb immer für den tatsächlich eingesetzten Werkstoff herangezogen werden.

Eine aktuelle Übersicht typischer Stahlkennwerte zeigt beispielsweise für S235JR eine Zugfestigkeit von 360–510 MPa.

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* Werte sind abhängig von Werkstoffzustand, Abmessung und Normvorgaben.

Für S235 und S355 liegen die in der Praxis verwendeten Kennwerte beispielsweise in den genannten Bereichen. Für vergütete Werkstoffe wie C45 und 42CrMo4 steigen die möglichen Festigkeitswerte deutlich.

Die Tabelle dient als Orientierung und ersetzt keine Prüfung des konkreten Werkszeugnisses oder der jeweils gültigen Werkstoffnorm.

Bei der Zugfestigkeit tauchen zwei Einheiten besonders häufig auf:

• N/mm²
• MPa

Beide Angaben sind zahlenmäßig identisch:

1 N/mm² = 1 MPa

Eine Zugfestigkeit von 500 N/mm² entspricht daher 500 MPa.

Das macht den Vergleich von Werkstofftabellen relativ einfach. Steht beispielsweise in einem Datenblatt eine Zugfestigkeit von 800 MPa, entspricht dies einer Zugfestigkeit von 800 N/mm².

Ein häufiger Fehler bei der Suche nach der „Zugfestigkeit von Stahl“ besteht darin, einen einzigen Tabellenwert als universell gültig anzusehen.

Tatsächlich können die mechanischen Eigenschaften von mehreren Faktoren beeinflusst werden.

1. Werkstoffsorte

S235, S355, C45 und 42CrMo4 sind keine Varianten desselben Stahls, sondern unterschiedliche Werkstoffe mit unterschiedlichen Eigenschaften.

Bereits zwischen S235 und S355 besteht ein deutlicher Unterschied bei Streckgrenze und Zugfestigkeit. Bei Vergütungsstählen können die erreichbaren Festigkeitswerte nochmals wesentlich höher liegen.

2. Wärmebehandlung

Normalisieren, Vergüten, Härten oder andere Wärmebehandlungen können die mechanischen Eigenschaften erheblich verändern.

Gerade bei C45 und 42CrMo4 ist deshalb die Angabe des Werkstoffzustands wichtig. Ein Stahlname allein reicht für eine belastbare Aussage über die tatsächliche Festigkeit nicht immer aus.

3. Bauteildicke und Durchmesser

Auch die Abmessungen können eine Rolle spielen. Normtabellen unterscheiden deshalb teilweise nach Nenndicke oder Durchmesser.

Bei bestimmten Stahlsorten können sich Mindestwerte für Streckgrenze und Zugfestigkeit abhängig von der Materialdicke verändern.

4. Fertigungszustand

Walzen, Ziehen, Schmieden und Wärmebehandlungen beeinflussen das Gefüge und damit die mechanischen Eigenschaften.

Deshalb sollten bei sicherheitsrelevanten Konstruktionen nicht einfach Werte aus einer allgemeinen Tabelle übernommen werden. Entscheidend sind die Angaben zur tatsächlich verwendeten Werkstoffausführung.

Die Frage „Welcher Stahl ist am stärksten?“ lässt sich nur sinnvoll beantworten, wenn klar ist, welche Eigenschaft betrachtet wird.

Für einen einfachen Vergleich der Zugfestigkeit liegen S235 und S355 deutlich unter typischen vergüteten C45- oder 42CrMo4-Werten. 42CrMo4 kann im vergüteten Zustand beispielsweise eine Zugfestigkeit von etwa 1.100 N/mm² erreichen.

Das bedeutet allerdings nicht automatisch, dass 42CrMo4 für jede Anwendung die bessere Wahl ist.

Ein Werkstoff muss zur Anwendung passen.

S235 kann beispielsweise für eine Schweißkonstruktion sinnvoll sein, während C45 oder 42CrMo4 bei hoch belasteten Wellen oder Bolzen eingesetzt werden können. Neben der Festigkeit spielen Kosten, Zerspanbarkeit, Schweißbarkeit, Zähigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Wärmebehandlung eine wichtige Rolle.

Für die Praxis ist diese Unterscheidung besonders wichtig.

Ein Werkstoff mit einer Zugfestigkeit von 700 N/mm² bedeutet nicht, dass ein beliebiges Bauteil aus diesem Stahl eine Zugkraft von 700 N aufnehmen kann.

Die zulässige Kraft hängt unter anderem vom belasteten Querschnitt ab.

Ein vereinfachtes Beispiel:

Eine Zugstange besitzt einen Querschnitt von 100 mm² und wird mit einer Kraft von 50.000 N belastet.

Die Spannung beträgt:

σ = F / A

also:

50.000 N / 100 mm² = 500 N/mm²

Erst durch den Vergleich dieser Spannung mit den Werkstoffkennwerten kann beurteilt werden, in welchem Belastungsbereich sich das Bauteil befindet.

In einer realen Konstruktion kommen zusätzlich Sicherheitsfaktoren, Kerbwirkungen, wechselnde Belastungen, Temperatur, Oberflächenzustand und weitere Einflüsse hinzu.

Die Zugfestigkeit ist nicht nur bei der Konstruktion relevant. Auch bei der Fertigung und Bearbeitung von Stahl muss der Werkstoff berücksichtigt werden.

Beim Fräsen, Drehen, Bohren, Schleifen, Schweißen oder Montieren entstehen Kräfte, die über das Werkstück und die Vorrichtung aufgenommen werden müssen.

Dabei ist ein wichtiger Punkt: Die Werkstückspannung muss zur Bearbeitungsaufgabe passen.

Ein Werkstück kann beispielsweise eine hohe Zugfestigkeit besitzen und trotzdem durch eine ungünstige Spannsituation beschädigt oder verformt werden.

Besonders bei dünnwandigen, langen oder geometrisch komplexen Bauteilen kommt es deshalb nicht nur auf die Werkstofffestigkeit an. Auch die Art der Kraftübertragung und die Positionierung des Werkstücks spielen eine entscheidende Rolle.

Bei der Bearbeitung von Stahl entstehen häufig Situationen, in denen ein Werkstück nicht nur von einer Seite zugänglich sein soll.

Beim Schweißen, Entgraten, Montieren, Löten oder Nacharbeiten kann es beispielsweise notwendig sein, ein Bauteil mehrfach neu zu positionieren.

Eine klassische Lösung besteht darin, das Werkstück aus der Vorrichtung zu nehmen, neu auszurichten und wieder zu spannen. Das kostet Zeit und kann die Arbeit unnötig erschweren.

Hier setzt die SI-MON Montagevorrichtung von JuS Spanntechnik an.

Die Vorrichtung ermöglicht es, sperrige Werkstücke zu spannen und anschließend für die Bearbeitung aus unterschiedlichen Richtungen zu positionieren. Je nach Modell können Werkstücke bis zu 60 kg aufgenommen werden. Die Konstruktion ermöglicht außerdem eine Höhenverstellung sowie eine Drehung um 360° und ein Schwenken um 90°.

Mehr über die SI-MON Montagevorrichtungen von JuS Spanntechnik

Der Vorteil liegt dabei weniger in der Zugfestigkeit des Werkstoffs selbst, sondern in der praktischen Handhabung des Werkstücks während der Bearbeitung. Gerade bei sperrigen Stahlbauteilen kann eine flexible Positionierung dabei helfen, Arbeitsabläufe zu vereinfachen.

Bei Spannvorrichtungen wird häufig zuerst auf die Spannkraft geschaut. Eine hohe Spannkraft ist jedoch nicht automatisch die optimale Lösung.

Entscheidend ist, wie die Kraft auf das Werkstück übertragen wird.

Zu hohe lokale Kräfte können bei empfindlichen Geometrien beispielsweise zu Druckstellen oder Verformungen führen. Zu geringe Kräfte können dagegen dazu führen, dass sich das Werkstück während der Bearbeitung bewegt.

Bei der Auswahl einer Spann- oder Montagevorrichtung sollten deshalb mehrere Fragen berücksichtigt werden:

• Wie schwer ist das Werkstück?
• Welche Geometrie besitzt es?
• Wo kann sicher gespannt werden?
• Welche Bearbeitungskräfte entstehen?
• Wie häufig muss das Werkstück neu positioniert werden?
• Muss von mehreren Seiten gearbeitet werden?
• Wie gut ist die Arbeitsstelle erreichbar?
• Muss der Bediener beide Hände für die eigentliche Bearbeitung frei haben?

Diese Fragen sind in der Praxis häufig wichtiger als die isolierte Betrachtung eines einzelnen Werkstoffkennwerts.

Auch beim Schweißen spielt die Werkstoffauswahl eine wichtige Rolle.

S235 und S355 gehören beispielsweise zu den häufig eingesetzten Baustählen. Bei höher kohlenstoffhaltigen oder legierten Stählen muss dagegen stärker auf Schweißverfahren, Vorwärmung und Nachbehandlung geachtet werden.

Besonders wichtig ist dabei, Werkstoff und Schweißprozess aufeinander abzustimmen.

Nach dem Schweißen können außerdem Eigenspannungen und Verformungen auftreten. Eine stabile und gut zugängliche Positionierung des Werkstücks kann deshalb für einen reproduzierbaren Arbeitsablauf entscheidend sein.

Gerade bei größeren Schweißkonstruktionen ist es hilfreich, das Werkstück während der verschiedenen Arbeitsschritte drehen oder schwenken zu können, ohne es jedes Mal vollständig neu aufzubauen.

Wie hoch ist die Zugfestigkeit von Stahl?

Das hängt von der Stahlsorte und dem Werkstoffzustand ab. S235JR liegt beispielsweise typischerweise bei etwa 360–510 N/mm², während S355 je nach Ausführung etwa 470–630 N/mm² erreichen kann. Vergütete Stähle wie C45 oder 42CrMo4 können deutlich höhere Werte aufweisen.

Was bedeutet Rm bei Stahl?

Rm ist das Formelzeichen für die Zugfestigkeit. Sie wird üblicherweise in N/mm² oder MPa angegeben und entspricht der maximalen technischen Spannung, die im Zugversuch erreicht wird.

Ist 500 MPa eine hohe Zugfestigkeit?

Ob 500 MPa als hoch einzustufen ist, hängt vom Vergleichswerkstoff und der Anwendung ab. Für bestimmte Baustähle liegt dieser Wert innerhalb des üblichen Bereichs, während hochfeste Vergütungsstähle deutlich darüber liegen können.

Was ist stärker: S235 oder S355?

S355 besitzt eine höhere Mindeststreckgrenze und typischerweise auch eine höhere Zugfestigkeit als S235. Die konkrete Ausführung und Materialdicke müssen bei einer technischen Auslegung berücksichtigt werden.

Was ist der Unterschied zwischen Zugfestigkeit und Streckgrenze?

Die Zugfestigkeit bezeichnet die maximale technische Spannung im Zugversuch. Die Streckgrenze beziehungsweise 0,2-%-Dehngrenze beschreibt dagegen den Bereich, ab dem eine definierte bleibende plastische Verformung auftritt.

Welche Einheit hat die Zugfestigkeit?

Üblich sind N/mm² und MPa. Beide Einheiten sind zahlenmäßig gleich: 1 N/mm² entspricht 1 MPa.

Die Zugfestigkeit von Stahl ist ein wichtiger Werkstoffkennwert, sollte aber niemals isoliert betrachtet werden. Je nach Stahlsorte, Wärmebehandlung, Bauteildicke und Fertigungszustand können die Werte erheblich variieren.

Für typische Baustähle liegen die Zugfestigkeiten beispielsweise im Bereich von einigen hundert N/mm². Vergütete Stähle wie C45 und 42CrMo4 können dagegen deutlich höhere Festigkeitswerte erreichen.

Für die praktische Konstruktion und Fertigung ist außerdem die Unterscheidung zwischen Zugfestigkeit, Streckgrenze und tatsächlicher Bauteilbeanspruchung entscheidend.

Und auch bei einem hochfesten Stahl bleibt die Frage bestehen, wie das Werkstück während der Bearbeitung sicher und ergonomisch positioniert wird. Besonders bei großen oder sperrigen Stahlbauteilen kann eine flexible Montagevorrichtung die Arbeit erleichtern.

Mit der SI-MON Montagevorrichtung bietet JuS Spanntechnik hierfür eine Lösung, mit der Werkstücke je nach Modell bis 60 kg aufgenommen, gedreht und geschwenkt werden können. Dadurch lassen sich beispielsweise Montage-, Schweiß-, Löt- und Entgratarbeiten aus unterschiedlichen Positionen durchführen.

Wer sich neben Werkstoffkennwerten wie der Zugfestigkeit von Stahl auch mit der praktischen Bearbeitung und Positionierung von Werkstücken beschäftigt, findet bei JuS Spanntechnik weitere Lösungen aus dem Bereich Spann- und Montagetechnik.