Streckgrenze und Zugfestigkeit: der Unterschied und was Härte sagt

Ein Datenblatt nennt vier Zahlen, und sie bedeuten nicht dasselbe

In einer Werkstatt liegen zwei Datenblätter nebeneinander, beide für eine Schraube derselben Festigkeitsklasse. Trotzdem widerspricht sich der erste Eindruck. Der eine Zettel nennt eine höhere Zugfestigkeit, der andere eine höhere Härte. Keiner der beiden Werte sagt allein, welches Teil im Motorraum besser hält. Das liegt daran, dass ein Werkstoffdatenblatt kein Urteil über ein fertiges Bauteil ist. Es ist das Protokoll eines genormten Versuchs an einem genormten Probestück.

Streckgrenze, Zugfestigkeit, Bruchdehnung und Härte messen vier unterschiedliche Eigenschaften. Drei davon stammen sogar aus demselben Versuch. Nur die Härte wird anders ermittelt, mit einem eigenen Prüfkörper und einem eigenen Prinzip. Wer die vier Werte durcheinanderwirft, überträgt schnell eine Aussage über den Probestab auf ein Bauteil mit ganz anderer Geometrie, Oberfläche und Belastung. Genau dieser Übertragungsfehler ist der Grund, warum ein nominell hochfester Werkstoff in der Praxis trotzdem versagen kann.

Der Zugversuch: wie die Werte überhaupt entstehen

Streckgrenze, Zugfestigkeit und Bruchdehnung entstehen alle in einem einzigen Versuch, dem Zugversuch. Ein genormter Probestab wird in eine Zugprüfmaschine eingespannt. Er wird mit definierter, langsam steigender Geschwindigkeit auseinandergezogen, während Kraft und Längenänderung fortlaufend aufgezeichnet werden. Aus Kraft und Ausgangsquerschnitt wird die Spannung berechnet, aus der Längenänderung die Dehnung. Beides zusammen ergibt das Spannungs-Dehnungs-Diagramm.

Für Metalle bei Raumtemperatur regelt die Norm ISO 6892-1 diesen Ablauf. Probenform, Prüfgeschwindigkeit, Messmittel und Auswertung sind darin festgelegt, damit zwei Labore an derselben Legierung vergleichbare Werte erhalten. Für Bauteile, die im Betrieb heiß werden, reicht ein Raumtemperaturwert allein nicht. Deshalb gibt es mit ISO 6892-2 ein eigenes Prüfverfahren bei erhöhter Temperatur. Ein Wert aus dem Raumtemperaturversuch beschreibt also ausdrücklich nur diesen Zustand, nicht automatisch das Verhalten am heißen Krümmer oder an der Bremsscheibe.

Das Diagramm selbst durchläuft dabei mehrere Phasen. Zuerst verformt sich der Stab rein elastisch und würde bei Entlastung vollständig in seine Ausgangsform zurückfedern. Dann beginnt die bleibende, plastische Verformung: Der Stab dehnt sich unter wachsender Last weiter, bis die Spannung ihr Maximum erreicht. Danach schnürt sich der Querschnitt lokal ein. Die gemessene Nennspannung fällt scheinbar wieder ab, obwohl das Material an der Einschnürstelle weiter beansprucht wird, bis der Stab schließlich reißt.

Streckgrenze: der Punkt, an dem die Verformung bleibt

Die Streckgrenze markiert den Übergang von der elastischen in die plastische Verformung. Unterhalb dieses Werts federt ein Bauteil nach der Belastung wieder vollständig zurück. Oberhalb bleibt eine dauerhafte Verformung übrig, auch wenn die Last wieder wegfällt. Bei Baustählen mit ausgeprägtem Fließverhalten, etwa S235 oder S355, zeigt sich dieser Übergang im Diagramm als kleiner Knick. Er wird als ReH oder ReL bezeichnet.

Viele Werkstoffe zeigen diesen Knick aber gar nicht, sondern gehen weich von der elastischen in die plastische Verformung über. Vergüteter Stahl wie C45 oder nichtrostender Stahl gehören dazu. Für sie wird ersatzweise die Dehngrenze Rp0,2 angegeben: die Spannung, bei der eine bleibende Dehnung von genau 0,2 Prozent gemessen wird. Rp0,2 ist damit eine Definition, keine Naturkonstante. Aber es ist eine, auf die sich die gesamte Branche geeinigt hat, um Werkstoffe ohne Fließplateau überhaupt vergleichbar zu machen.

In der Bauteilauslegung ist die Streckgrenze der eigentliche Konstruktionsgrenzwert. Ein Bauteil soll im normalen Betrieb nicht dauerhaft über diese Spannung hinaus belastet werden. Sonst entsteht genau die bleibende Verformung, die im Betrieb Spiel, Undichtigkeit oder Bruch nach sich zieht. Wer eine Schraube, ein Fahrwerksteil oder einen Halter beurteilt, schaut deshalb zuerst auf die Streckgrenze und erst danach auf die Zugfestigkeit.

Zugfestigkeit: das Maximum kurz vor dem Bruch

Die Zugfestigkeit Rm ist die höchste Spannung, die der Probestab im gesamten Versuch erreicht, genau an dem Punkt, an dem die Einschnürung beginnt. Danach sinkt die gemessene Nennspannung wieder. Der Grund: Sie bezieht sich auf den ursprünglichen Querschnitt, während der tatsächliche Querschnitt an der Einschnürstelle bereits kleiner geworden ist. Das Material trägt an dieser Stelle also weiterhin Last, nur die Rechengröße fällt.

Anders als die Streckgrenze ist die Zugfestigkeit kein Wert, an dem ein Bauteil im Alltag betrieben werden soll. Sie dient eher als Vergleichskennwert zwischen Werkstoffen. Und sie ist eine Reserve für den äußersten Belastungsfall, etwa einen kurzzeitigen Stoß oder eine Überlast. Ein Bauteil, das regelmäßig nahe an seiner Zugfestigkeit arbeitet, hat längst ein Problem, unabhängig davon, wie hoch dieser Wert auf dem Papier steht.

Warum die Auslegung an der Streckgrenze hängt, nicht an der Zugfestigkeit

Bauteile werden nicht nach dem höchsten erreichbaren Kennwert ausgelegt, sondern nach Last, Geometrie, Streuung der Werkstoffeigenschaften und der Art, wie das Bauteil im schlimmsten Fall versagt. Ein Sicherheitsfaktor multipliziert die erwartete Betriebslast mit einem Aufschlag. Das Ergebnis wird mit der Streckgrenze verglichen, nicht mit der Zugfestigkeit. Der Grund dafür ist einfach: Sobald die Streckgrenze überschritten wird, verformt sich das Teil bleibend. Diese Verformung ist meist der erste sichtbare Vorbote eines Versagens, lange bevor der Bruch selbst eintritt.

Ein höherer Zugfestigkeitswert allein macht ein Bauteil deshalb nicht automatisch sicherer. Entscheidend ist, wie groß der Abstand zwischen erwarteter Betriebslast und Streckgrenze tatsächlich ausfällt, und ob er auch unter Streuung, Alterung und Fertigungstoleranzen bestehen bleibt. Wie ein Bauteil am Ende tatsächlich bricht, zeigt sich ohnehin erst an der Bruchfläche selbst; woran sich Gewaltbruch, Dauerbruch und Sprödbruch unterscheiden lassen, ist deshalb die praktische Ergänzung zu jedem Datenblattwert.

Bruchdehnung ist Duktilität, keine Zähigkeit

Die Bruchdehnung A wird ebenfalls im Zugversuch gemessen. Sie beschreibt, wie stark sich der Probestab bis zum Bruch bleibend längt. Sie ist ein Maß für Duktilität, also für die Fähigkeit eines Werkstoffs, sich vor dem Bruch plastisch zu verformen, statt schlagartig zu reißen. Ein duktiler Werkstoff kündigt eine Überlastung an, weil er sich sichtbar verformt. Ein spröder Werkstoff kann dagegen ohne Vorwarnung brechen.

Wichtig ist dabei die Messlänge. A5 und A10 beziehen sich auf unterschiedlich lange Messstrecken am Probestab und sind deshalb nicht direkt vergleichbar. Die Abweichung kann mehrere Prozentpunkte betragen. Ein Datenblatt ohne Angabe der Messlänge lässt sich streng genommen nicht einordnen.

Und Duktilität ist nicht dasselbe wie Zähigkeit oder Ermüdungsfestigkeit. Ein Werkstoff kann im Zugversuch hoch duktil erscheinen und trotzdem unter wiederholter, schwingender Last vorzeitig versagen, weil Ermüdung ein eigener Mechanismus mit eigenem Prüfverfahren ist. Kerbschlagzähigkeit wiederum beschreibt, wie viel Energie ein Werkstoff bei einem plötzlichen Schlag aufnehmen kann, und wird in einem völlig anderen Versuch ermittelt. Wer aus einer hohen Bruchdehnung automatisch eine hohe Lebensdauer unter Vibration ableitet, verwechselt zwei Eigenschaften, die im Datenblatt zufällig nebeneinanderstehen.

Härte: drei Verfahren, ein Grundprinzip

Härte wird nicht im Zugversuch gemessen, sondern über ein eigenes Prinzip. Ein definierter Prüfkörper wird mit definierter Kraft in die Oberfläche gedrückt. Aus der Größe oder Tiefe des entstehenden Eindrucks ergibt sich die Härtezahl. In der Praxis kommen dafür drei Verfahren zum Einsatz, und sie unterscheiden sich deutlicher, als der gemeinsame Sammelbegriff „Härte“ vermuten lässt.

Beim Brinell-Verfahren drückt eine Hartmetallkugel für zehn bis fünfzehn Sekunden in die Oberfläche. Danach wird der Durchmesser des Eindrucks unter dem Mikroskop ausgemessen. Das Verfahren erfasst dadurch ein vergleichsweise großes Materialvolumen und mittelt über grobe Gefüge hinweg, weshalb es sich für Guss und Baustahl bewährt hat. Beim Vickers-Verfahren dringt stattdessen eine vierseitige Diamantpyramide ein und hinterlässt einen quadratischen Eindruck, dessen Diagonalen gemessen werden. Weil der Eindruck sehr klein bleibt, eignet sich Vickers besonders für dünne Schichten, einsatzgehärtete Randzonen und andere Fälle mit nur einer dünnen Materiallage.

Beim Rockwell-Verfahren wird dagegen gar nichts optisch ausgemessen. Ein Diamantkegel oder eine Kugel dringt zunächst mit einer kleinen Vorkraft und anschließend mit der eigentlichen Prüfkraft ein. Die verbleibende Eindringtiefe nach dem Entlasten ergibt direkt die Härtezahl. Das macht Rockwell schnell und robust, weshalb es sich für die Serienprüfung gehärteter Stähle durchgesetzt hat. Für die Verfahren gelten eigene Normen, ISO 6507-1 für Vickers und ISO 6508-1 für Rockwell, weil Eindringkörper, Prüfkraft und Auswertung jeweils genau festgelegt sein müssen, damit zwei Prüfstellen an derselben Probe dieselbe Zahl messen.

Härte und Zugfestigkeit: die Umrechnung ist nur eine Näherung

Die Härteprüfung ist schnell und zerstörungsarm, der Zugversuch verbraucht dagegen einen ganzen Probestab. Deshalb liegt der Gedanke nahe, aus einer Härtemessung einfach auf die Zugfestigkeit zu schließen. Für unlegierte und niedriglegierte Stähle gibt es dafür sogar eine bekannte Faustformel: Die Zugfestigkeit in Megapascal liegt ungefähr beim 3,4- bis 3,5-Fachen der Brinellhärte. Genormt ist diese Art der Umwertung in ISO 18265.

Genau hier liegt aber die Falle. Die Norm selbst beschreibt diese Umrechnungen ausdrücklich als empirisch ermittelte Näherungswerte, nicht als physikalisch exakte Gleichung. Sie gelten immer nur für die Werkstoffgruppe und den Zustand, für die sie ermittelt wurden. Für legierte Stähle, Gusseisen oder Nichteisenmetalle wie Aluminium und Titan trägt dieselbe Faustformel nicht mehr, weil sich das Verhältnis zwischen Eindringverhalten und Zugfestigkeit je nach Gefüge deutlich verschiebt. Ein Gedanke, der bei unlegiertem Baustahl passabel funktioniert, ist bei einer Aluminiumlegierung schon falsch.

Der Grund liegt im Messprinzip selbst. Ein Zugversuch belastet das gesamte Volumen des Probestabs gleichmäßig. Eine Härteprüfung erfasst dagegen nur ein winziges, lokales Volumen direkt unter dem Eindringkörper, und die drei Verfahren messen dabei jeweils unterschiedliche Tiefen und Flächen. Für sicherheitsrelevante Bauteile, bei denen die Streckgrenze über die Auslegung entscheidet, ersetzt eine Härtemessung deshalb nie den echten Zugversuch. Sie ist bestenfalls eine schnelle Plausibilitätskontrolle, etwa um zu prüfen, ob eine Wärmebehandlung überhaupt gegriffen hat.

Gleiche Legierungsbezeichnung, andere Werte

Eine Legierungsbezeichnung wie 42CrMo4 beschreibt die chemische Zusammensetzung, nicht den mechanischen Zustand. Derselbe Stahl kann weich geglüht, normalisiert oder vergütet vorliegen. Je nach diesem Zustand unterscheiden sich Streckgrenze, Zugfestigkeit und Härte teils erheblich. Ein Datenblatt, das nur den Werkstoffnamen nennt, aber keinen Zustand oder Temper, beschreibt deshalb streng genommen noch gar kein konkretes Bauteil.

Das gilt auch über die Lebensdauer eines Bauteils hinweg. Wärmebehandelte Legierungen können sich verändern, wenn sie im Betrieb dauerhaft hohen Temperaturen ausgesetzt sind, etwa in Abgasnähe, am Turbolader, an der Bremsscheibe oder am Kolben selbst. Der Fachbegriff dafür ist Überalterung oder ungewolltes Nachvergüten. Der Werkstoff verliert dabei einen Teil der Festigkeit, die er beim Verlassen der Fertigung noch hatte, ohne dass sich sein Name ändert. Ein Bauteil, das jahrelang im heißen Betrieb gearbeitet hat, entspricht deshalb nicht mehr zwangsläufig dem Datenblatt seines Neuzustands.

Fertigungsverfahren und Anisotropie: warum die Richtung zählt

Guss, Schmieden, Walzen, spanende Bearbeitung aus dem Halbzeug, additive Fertigung und Schweißen erzeugen unterschiedliche Gefüge, selbst wenn am Ende dieselbe Legierung draufsteht. Geschmiedete Bauteile folgen einem Faserverlauf, der sich beim Umformen der Bauteilkontur anpasst. Sie tragen Lasten entlang dieser Faser oft deutlich besser als quer dazu. Bei geschmiedeten Pleueln und Kolbenbolzen ist genau dieser Effekt einer der Gründe, warum sie höhere Drehzahlen vertragen als gegossene Bauteile derselben Nennabmessung, obwohl die reine Legierungsbezeichnung ähnlich klingen kann.

Gegossene Bauteile haben dagegen eine gleichmäßigere, aber im Mittel schwächere Struktur, weil beim Erstarren der Schmelze Poren und Lunker entstehen können. Additiv gefertigte Teile bringen wiederum eine eigene, aufbaurichtungsabhängige Struktur mit. Geschweißte Bauteile besitzen an der Naht zusätzlich eine eigene Wärmeeinflusszone mit veränderten Eigenschaften. Ein Werkstoffdatenblatt, das nur eine einzelne Zahl für „die Legierung“ liefert, blendet diese Richtungsabhängigkeit meist komplett aus. Wer Werkstoffe nach Gewicht statt nach Fertigungsverfahren vergleicht, übersieht denselben Punkt oft aus einer anderen Richtung; der Vergleich zwischen Aluminium, Stahl, Titan und Carbon zeigt, wie stark das Fertigungsverfahren die reinen Werkstoffkennwerte überlagert.

Kerbe, Oberfläche und Schweißnaht: wo der Coupon-Wert nicht mehr gilt

Der Probestab im Zugversuch ist glatt poliert und frei von scharfen Übergängen. Genau darin liegt sein Nutzen für den Vergleich zwischen Werkstoffen. Und genau darin liegt seine Grenze für die Übertragung auf ein reales Bauteil. Gewinde, Bohrungen, scharfe Radien, Werkzeugspuren oder Korrosionsnarben erhöhen die örtliche Spannung an genau dieser Stelle, oft weit über den rechnerischen Mittelwert hinaus. Ein Bauteil aus einem nominell hochfesten Werkstoff kann deshalb an einer einzigen kritischen Kerbe schlechter abschneiden als ein einfacherer Werkstoff mit sauber ausgerundeter Geometrie. An dieser Stelle wird die rechnerische Streckgrenze örtlich überschritten, obwohl der Rest des Bauteils noch weit darunter liegt.

Bei geschweißten Bauteilen kommt eine zweite Schwachstelle hinzu, die Wärmeeinflusszone direkt neben der Naht. Dort verändert die Schweißwärme lokal das Gefüge. Die Festigkeit an dieser Stelle kann deutlich vom Grundwerkstoff abweichen, selbst wenn beide Seiten der Naht auf dem Papier dieselbe Legierung tragen – bei wiederholter Belastung ist genau diese Zone der wahrscheinlichste Ausgangspunkt für einen Riss, wie die Wöhlerkurve für Dauerfestigkeit zeigt. Wer die Belastbarkeit eines geschweißten Rahmens oder Halters beurteilt, schaut deshalb nicht nur auf das Datenblatt des Ausgangsmaterials, sondern auf den Zustand direkt an und neben der Naht.

Ein Werkstoffdatenblatt richtig lesen: die Checkliste

Bevor ein Wert aus einem Datenblatt in eine Bauteilentscheidung einfließt, lohnt sich ein kurzer Abgleich. Steht neben der Werkstoffbezeichnung auch der Zustand oder Temper, also zum Beispiel weichgeglüht, normalisiert oder vergütet? Ist die Prüftemperatur angegeben, und passt sie zum späteren Einsatzort des Bauteils? Stammt der Wert aus einer eigenen Messung, aus einem genormten Prüfbericht oder nur aus einer Herstellerangabe ohne Prüfprotokoll dahinter? Und steht neben der Zugfestigkeit auch die Streckgrenze, oder fehlt ausgerechnet der Wert, an dem sich die Auslegung orientiert?

Genauso wichtig ist die Frage, ob der genannte Wert überhaupt vom fertigen Bauteil stammt oder nur vom glatten Probekörper. Bei sicherheitskritischen Teilen gehören zusätzlich Hersteller, Teilenummer, Charge und, wo vorhanden, ein Werkstoffzertifikat zur vollständigen Rückverfolgbarkeit. Fehlt diese Kette, bleibt ein Datenblattwert eine Orientierung, aber kein Nachweis für das konkrete Teil in der eigenen Hand.

Bauteiltausch im Tuning: was Kennwerte nicht ersetzen

In der Praxis taucht die Frage nach Streckgrenze, Zugfestigkeit und Härte fast immer bei einem Bauteiltausch auf. Etwa wenn eine Schraube eine höhere Festigkeitsklasse bekommt oder ein Fahrwerksteil eine andere Legierung. Ein höherer Zahlenwert auf dem neuen Datenblatt beantwortet dabei nur einen Teil der Frage. Ob die neue Schraube die nötige Vorspannkraft überhaupt zuverlässig erzeugt, hängt zusätzlich vom Anzugsverfahren ab; warum Drehmoment allein die Vorspannkraft nicht garantiert, ist deshalb die praktische Fortsetzung zu jedem Festigkeitswert auf dem Papier.

Dazu kommt eine Ebene, die kein Werkstoffkennwert abdeckt: der Genehmigungszustand des Fahrzeugs. Ein Bauteil kann werkstofftechnisch überlegen sein und trotzdem die Betriebserlaubnis berühren. Das passiert, wenn es die genehmigte Fahrzeugart verändert, eine Gefährdung anderer Verkehrsteilnehmer erwarten lässt oder Abgas- und Geräuschverhalten verschlechtert – im Zweifel zeigt sich das erst bei einer nicht bestandenen Änderungsabnahme.

Umbauten am eigenen Fahrzeug. Ob ein Umbau auf öffentlichen Straßen betrieben werden darf, entscheidet der Genehmigungszustand des Fahrzeugs — die Genehmigung des Teils, der Einbau nach ihren Auflagen und, wo nötig, die Abnahme durch eine dafür zuständige Stelle. Solange diese Kette nicht vollständig ist, gehört der Umbau auf Privatgelände, Testflächen und in nicht öffentliche Bereiche.

Ein Werkstoffdatenblatt ersetzt diese Kette nicht, und es muss das auch gar nicht. Seine Aufgabe ist es, einen Prüfwert korrekt zu benennen, nicht ein fertiges Bauteil freizugeben. Wer beides sauber trennt, den Materialwert auf der einen Seite und Geometrie, Fertigung, Temperatur, Last und Genehmigung auf der anderen, liest ein Datenblatt am Ende richtig. Warum bei Bremsscheiben der Werkstoff mehr zählt als das Gewicht allein, zeigt genau diese Trennung am konkreten Bauteil. Es ist einer von mehreren Bausteinen, nicht das letzte Wort.

Häufige Fragen

Einordnung: wo die Regeln stehen

Die Kennwerte selbst sind Prüftechnik, keine Rechtsfrage. Berührt wird das Recht erst dort, wo aus einem Werkstoffwert ein Bauteiltausch am zulassungspflichtigen Fahrzeug wird. Die folgenden Blöcke fassen die genutzten Normen und Quellen zusammen.