Das Elastizitätsmodul

Stahl ist ein unverzichtbares Material in vielen Branchen. Seine hohe Festigkeit und Steifigkeit machen ihn ideal für die Konstruktion von Brücken, Maschinen und Anlagen. Doch wie lässt sich berechnen, wie belastbar Stahl ist? Hier kommt das Elastizitätsmodul ins Spiel.

Das Elastizitätsmodul, auch bekannt als Zug-Modul, E-Modul oder Elastizitätskoeffizient, ist eine werkstoffspezifische Kennzahl, die von dem Physiker Thomas Young eingeführt wurde und daher auch als Young-Modul bezeichnet wird.

Für Stahl beträgt das Elastizitätsmodul 210.000 N/mm² bzw. 210 GPa. Es steigt mit dem Schmelzpunkt von Metall und Stahl an. Ferritisch-perlitische Stähle haben bei vergleichbaren Schmelztemperaturen ein höheres E-Modul als nichtrostender Edelstahl. Das Elastizitätsmodul bleibt unabhängig von der Anwendungsart konstant. Es spielt keine Rolle, ob es sich um Baustahl nach EN 10025, Druckbehälterstahl nach EN 10028, Schiffbaustahl, Verschleißstahl oder Offshore-Stahl nach EN 10225 handelt. Ebenso ist es unabhängig von der Art des Stahlprodukts, sei es Blech, Profil, Brennteil, Laserteil, Träger oder Rohr, sowie von der Festigkeitsklasse.

Es gilt also sowohl für den

P265GH (1.0425)
P295GH (1.0481)
S355J2+N (1.0577)
S355NL (1.0546)
S355ML (1.8834)

P355GH (1.0473)
16Mo3 (1.515)
P355NL2 (1.0566)
S460NL (1.8903)

S460ML (1.8838)
P460NL2 (1.8918)

als auch für den S690Q (1.8940)
S90QL (1.8929) und S690QL1 (1.8988)

Elastizitätsmodul als Kenngröße bei Zugversuchen

Das Elastizitätsmodul ist eine wichtige Kennzahl im Zugversuch gemäß ISO 6892 und ASME SA370. Es stellt eine theoretische Größe dar, die unabhängig von der Walzrichtung ist. Im Spannungs-Dehnungs-Diagramm entspricht es der Steigung zu Beginn des Tests, bekannt als die Hookesche-Gerade. Das Elastizitätsmodul, auch als Proportionalitätskonstante im Hookeschen Gesetz bezeichnet, beschreibt das Verhältnis von Spannungsanstieg zur zunehmenden Dehnung bei unveränderter Querschnittsform des Prüfkörpers. Anders ausgedrückt: Stahl zeigt bis zu einer bestimmten Spannung eine elastische Verformung. Nach Entlastung kehrt die Verformung zur Null zurück, was als obere Streckgrenze [Reh] bezeichnet wird. Ab diesem Punkt erfolgt eine plastische Verformung mit bleibender Dehnung.

Neue Norm EN 10025 erweitert hochfeste Baustähle
Ein Blick auf die Änderungen aus dem Jahre 2019

Die Überarbeitung der EN 10025 im Jahr 2019 erweiterte den Anwendungsbereich genormter hochfester Baustähle bis zu einer Dicke von 200 mm für S690Q, S690QL und S690QL1. Zuvor wurden diese Stähle nur über Herstellerdatenblätter wie DILLIMAX690B, Perform, Aldur 700, Maxil690, Strenx, Quend und andere dargestellt. Diese Markenstähle konnten jedoch kein CE-Zeichen erhalten und waren somit nicht für den Einsatz in Bauprodukten geeignet. Die Änderungen in der Norm trugen dazu bei, diese Einschränkungen zu überwinden und eröffneten neue Möglichkeiten für den Einsatz hochfester Baustähle in verschiedenen Anwendungen.

Zugprüfmaschine und Dehngrenzen

Die Zugprüfmaschine kann bei diesen hochfesten Stählen den Punkt der oberen Streckgrenze Reh nicht exakt bestimmen, was sich durch einen leichten Abfall in der aufgenommenen Kraft zeigt. Daher wird oft die theoretische Ersatzstreckgrenze oder auch 0,2 % plastische Dehngrenze [Rp0,2] verwendet. Diese wird von der Zugprüfmaschine als parallele Verschiebung der Hookeschen-Gerade um 0,2 % Dehnung interpretiert, was einer Verschiebung des Elastizitätsmoduls um 0,2 % entspricht.