ASTM D638: Der definitive Leitfaden für Kunststoff-Zugversuche

So führen Sie einen Zugversuch an Kunststoffen nach ISO 527-2 durch:

Autorin: Erica Lawrence

ASTM D638 ist eine internationale Norm zur Bestimmung der Zugeigenschaften von verstärkten und unverstärkten Kunststoffen. Da die Verwendung von Kunststoffen so hoch wie nie zuvor ist, müssen die Hersteller in der Lage sein, die mechanische Festigkeit ihrer Materialien richtig einzuschätzen. Dieser Leitfaden führt Sie in die grundlegenden Elemente eines ASTM D638 Prüfverfahrens ein und vermittelt eine Übersicht über die erforderlichen Prüfgeräte, Software und Proben. Bei der Planung von Prüfverfahren nach ASTM D638 darf dieser Leitfaden jedoch nicht als gleichwertiger Ersatz für die Lektüre der vollständigen Norm betrachtet werden.

Was misst es?

ASTM D638 wird auf einer Universalprüfmaschine durchgeführt, indem eine Zugkraft auf eine Probe (Probestück) aufgebracht und verschiedene Eigenschaften des Probenmaterials unter Spannung gemessen werden. Es wird auf einer Universalprüfmaschine (auch Zugprüfmaschine genannt) mit Zugraten von 1 bis 500 mm/min durchgeführt, bis die Probe versagt (Ausbeuten oder Brüche). Obwohl ASTM D638 viele verschiedene Zugeigenschaften misst, sind die Folgenden die häufigsten:

  • Zugfestigkeit: – die Menge an Kraft, die auf ein Material ausgeübt werden kann, bevor es nachgibt (sich irreparabel dehnt) oder bricht.
  • Zugmodul – wie stark sich ein Material bei Belastung verformen (dehnen) kann, bevor es nachgibt. Der Modulus ist ein Maß für die Steifigkeit des Materials.
  • Dehnung – die Zunahme der Messlänge nach dem Bruch geteilt durch die ursprüngliche Messlänge. Eine größere Dehnung weist auf eine höhere Duktilität hin.
  • Poisson’s Verhältnis - ein Maß für das Verhältnis zwischen der Dehnung eines Materials und der Dünnheit, die es während des Dehnungsvorgangs annimmt.

ASTM D638 Zugeigenschaften von Kunststoffen

Ist ASTM D638 die richtige Norm für Sie?

Es gibt viele verschiedene Prüfmethoden für verschiedene Kunststoffarten. ASTM D638 erstreckt sich nur auf starre Kunststoffproben mit einer Dicke von 1,0 bis 14 mm. Wenn es sich bei der Probe um eine Platte oder einen Film mit einer Dicke von weniger als 1,00 mm handelt, sollte sie auf ASTM D882 geprüft werden. Obwohl sie ähnliche Ergebnisse wie die ASTM D638 liefert, wird die ISO 527-2 aufgrund von Unterschieden in der Probengröße und den Testanforderungen nicht als technisch gleichwertig angesehen. Während einige große multinationale Hersteller sowohl nach ASTM D638 als auch nach ISO 527-2 testen, zeigen die meisten unserer Kunden, je nach geografischem Standort, eine Präferenz für die eine oder andere Norm. Nordamerikanische Hersteller testen in der Regel nach ASTM D638, während die Hersteller in Europa und Asien hauptsächlich nach ISO 527-2 testen. Kunden in China testen gleichermaßen nach ASTM D638 und nach ISO 527-2. Diese und weitere Methoden finden Sie in den BluehillUniversal®®’Anwendungsmodulen, die vorkonfigurierte Methodenvorlagen für die gängigsten ISO- und ASTM-Normen enthalten.


Syteme zur Materialprüfung

Die meisten ASTM D638-Tests werden auf einer universellen Tischprüfmaschine wie Instron Serie 6800 durchgeführt. Ein 5-kN- oder 10-kN-System (1125 lbf oder 2250 lbf) ist am gebräuchlichsten, aber mit zunehmender Festigkeit von verstärkten Kunststoffen und Verbundwerkstoffen können auch Einheiten mit höherer Kapazität wie 30-kN- oder 50-kN-Systeme erforderlich sein.

 

ASTM D882 Prüfeinrichtung

1. Instron 6800

2. Bluehill Universal Dashboard (2490-696) 

3. Serie 2580 Wägezelle

4, 5 kN Seitlich wirkende, pneumatische Spannzeuge (2712-045)

 

 

Spannzeuge

Es ist wichtig, dass die Proben sicher in der Zugmaschine gehalten werden. Seitlich wirkende pneumatische Spannzeuge mit gezacktem Backenflächen sind oft die besten Spannzeuge, um starre Kunststoffe zu halten. Bei pneumatischen Spannzeugen wird die Spannkraft durch den Luftdruck aufrechterhalten, der auch dann konstant bleibt, wenn sich die Probendicke während der Prüfung erheblich ändert. Für Kräfte über 10 kN, die typischerweise nur bei verstärkten Materialien auftreten, werden manuelle Spannzeuge mit Keilwirkung bevorzugt.

10 kN-Modell | 2712-046
2716-010
5 kN Modell | 2716-010

Probentypen

Es gibt fünf zulässige Probentypen für ASTM D638, die sich in abhängigkeit von der Dicke der Probe und der Menge des verfügbaren Materials in ihrer Größe unterscheiden. Am häufigsten verwendet werden Typ-I-Proben, die 3,2 mm dick sind und im Allgemeinen durch Spritzgießen hergestellt werden. Exemplare des Typs I haben eine Gesamtlänge von 165 mm und eine Breite von 13 mm bei einer Gauge-Länge von 50 mm. Flache Proben werden typischerweise geformt, gestanzt oder in eine "Dogbone"- oder "Dumbbell"-Form bearbeitet, die sicherstellt, dass der Bruch in der Mitte der Probe und nicht in den Klemmbereichen auftritt. Neben flachen Proben ermöglicht ASTM D638 auch die Prüfung von starren Rohren und Stäben, die beide ebenso in der Dogbone-Form bearbeitet werden müssen. In Fällen, in denen das Material begrenzt ist, verwenden viele Labore Proben vom Typ IV oder Typ V. Die für Proben des Typs IV erforderlichen Abmessungen entsprechen denen der ASTM D412 Stanzung C, was bedeutet, dass derselbe Stanzteil verwendet werden kann. Typ V Proben sind die kleinsten, mit einer Gauge-Länge von nur 0,3 Zoll.

Probenmessung

Alle Proben müssen vor der Prüfung nach ASTM D5947 gemessen werden. Die meisten normalen Mikrometer sollten für diese Messungen geeignet sein. Damit das Testsystem Spannungsmessungen und nicht nur Kraftmessungen anzeigt, geben die Bediener die Querschnittsfläche (oder Dicke und Breite) der Probe ein, da Spannung = Kraft / Querschnittsfläche (dies wird in den Einheiten Psi, Pa, kPa, GPa usw. angezeigt).

Gestanzte oder bearbeitete Proben müssen einzeln gemessen werden, aber Bediener, die spritzgegossene Proben verwenden, müssen nur eine einzige Probe aus einer Probencharge messen wenn die Variation in dieser Probencharge nachweislich weniger als 1% beträgt. Spritzgegossene Proben werden oft mit einem Schrägenwinkel hergestellt, anstatt perfekt quadratisch zu sein, was bei der Messung der Probe berücksichtigt werden muss. Stellen Sie immer sicher, dass die Breitenmessungen in der Mitte des Entwurfswinkels vorgenommen werden.

Die Funktion „Automatisches Probenmessgerät“ in  Bluehill  Universal  ermöglicht es dem Bediener, bis zu zwei Mikrometer oder Messgeräte an den Computer anzuschließen und die Daten direkt in die Software einzugeben. Dies eliminiert die Wahrscheinlichkeit von Eingabefehlern und erhöht die Effizienz.

Probenausrichtung

Um eine ordnungsgemäße Prüfung durchzuführen, müssen die Proben senkrecht zu den Kieferflächen gehalten und nicht schräg geneigt werden. Eine Fehlausrichtung der Proben kann zu großen Abweichungen in den Ergebnissen führen, und es sollte darauf geachtet werden, dass die Proben für jeden Test konsistent ausgerichtet sind. Eine Möglichkeit, Fehlausrichtungen zu vermeiden, besteht darin, eine Backenfläche zu verwenden, die fast die gleiche Breite wie die Probe hat, was die visuelle Anpassung der Ausrichtung erleichtert. Der einfachste Weg, eine Fehlausrichtung zu vermeiden, ist jedoch die Verwendung einer Vorrichtung zur Probenausrichtung, die direkt an den Spannzeugen montiert wird. Dies ist ein einfacher Balken, der einen einstellbaren Haltepunkt bietet, so dass der Bediener leicht erkennen kann, dass seine Probe korrekt ausgerichtet ist.

Sobald die Spannzeuge in Vorbereitung auf einen Test auf die Elastomer-Proben angezogen werden, werden häufig unerwünschte Druckkräfte aufgebracht. Diese Kräfte, obwohl winzig, können die Testergebnisse stören, wenn sie nicht richtig behandelt werden: Es ist daher wichtig, dass sie nach dem Einsetzen der Probe nicht ausbalanciert werden, da dies zu einem Versatz der Ergebnisse führt. Die Bluehill Universal-Software kann so programmiert werden, dass sie die Kräfte über mehrere Proben hinweg normalisiert und jede Durchhang- oder Druckkraft entfernt, um konsistente Ergebnisse zwischen den Proben zu gewährleisten. Für die Universalprüfmaschinen der Serie 6800 empfehlen wir außerdem die Verwendung von Specimen Protect, um eine Beschädigung der Probe oder des Systems während der Einrichtungsphase einer Prüfung und bevor die Betriebsgrenzen einer Prüfung festgelegt werden, zu verhindern. Wenn es eingeschaltet ist, passt Specimen Protect automatisch den Kreuzkopf an, um unerwünschte Kräfte unter einem bestimmten Limit zu halten.

Sehen Sie sich dieses Video an um mehr über Specimen Protect zu erfahren.

Extensometer für Zugspannungsprüfungen

Der Elastizitätsmodul – wie stark sich die Probe als Reaktion auf die Zugkraft dehnt oder verformt – ist eine der wichtigsten Arten von Daten, die durch den ASTM D638-Kunststoffzugtest gesammelt werden. Bediener benötigen ein entsprechendes Dehnungsmessgerät – einen Extensometer - um diese Daten zu sammeln. Extensometer zur Messung des Moduls müssen der ASTM E83 Klasse B-2 entsprechen.

Je nach den Anforderungen Ihres Labors stehen mehrere Extensometeroptionen zur Verfügung. Der einfachste Typ ist ein Clip-on-Extensometer der Serie 2630 mit fester Gauge-Länge.. Ein Bediener muss diesen zu Beginn jeder Prüfung direkt an die Probe befestigen und nach der Nachgebung der Probe oder vor dem Bruch der Probe entfernen. Wenn das Poisson-Verhältnis getestet wird, muss auch ein  Quer-Extensometer hinzugefügt werden, um die Breitenänderung im gesamten elastischen Bereich der Probe zu messen. Es kann sowohl ein eigenständiges Querextensometer, um ein vorhandenes Clip-on- oder automatisches Extensometer als auch ein  zwei-achsiges  Gerät verwendet werden, um sowohl axiale als auch Querdehnung gleichzeitig zu unterstützen.

  ASTM D638 Extensometer

Das AutoX750 ist ein Extensometer, der automatisch, ohne Eingreifen des Bedieners, an der Probe befestigt wird. Dies ist hilfreich in Laboren mit hohem Durchsatzbedarf, da es die zeitaufwändige manuelle Manipulation durch den Bediener eliminiert und eine konsistentere Platzierung einer großen Anzahl von Proben ermöglicht. Eine konstante Platzierung ergibt besser reproduzierbare Modulwerte. Wenn nach anderen Standards, wie z. B. ASTM D790 getestet wird, bieten automatische Extensometer auch die Flexibilität, verschiedene Messlängen mit einem einzigen Gerät zu verwenden. Oft sind die zu testenden Kunststoffe letztendlich dazu bestimmt, unter Nicht-Umgebungsbedingungen verwendet zu werden. Um diese Endanwendungen zu simulieren, wird ASTM D638 in einer Temperaturkammer durchgeführt, in der geheizt oder gekühlt werden kann (LN2 oder CO2). In diesen Fällen ist ein kontaktloser Advanced Video Extensometer (AVE2) die empfohlene Option. Mit dem AVE 2 können Moduldaten gesammelt werden, ohne dass der Bediener die Kammer öffnet und schließt und auf diese Weise während des Tests Temperaturschwankungen verursachen würde.

ASTM D638 Extensometer  

Berechnungen und Ergebnisse

Bei der Präsentation von Testergebnissen ist darauf zu achten, dass die Begriffe richtig definiert sind, um die Einhaltung der Norm zu gewährleisten und den Datenvergleich zwischen verschiedenen Labors zu erleichtern. Der häufigste Fehler bei der Dokumentation von Daten besteht darin, Dehnungswerte mit einer falschen Quelle (Extensometer statt Kreuzkopf) zu verwenden, was zu drastisch unterschiedlichen Ergebnissen führen kann.

Kunststoffprüfnormen beziehen sich auf einen Begriff, der als Nenndehnung bezeichnet wird und je nach verwendetem Prüfverfahren unterschiedlich definiert wird. Für ASTM D638 ist die Nenndehnung definiert als die Dehnung, die anhand der Kreuzkopfverschiebung und nicht des Extensometers gemessen wird. Dies liegt daran, dass Kunststoff nicht homogen abgebaut wird und die Dehnung oft auf einen unverhältnismäßig kleinen Teil der Probe konzentriert wird, eine Eigenschaft, die als "Necking" bezeichnet wird. Für Materialien, die einen Hals haben oder eine Streckgrenze aufweisen, kann die prozentuale Bruchdehnung nicht über das Extensometer gemeldet werden, da die Einschnürung außerhalb der Gauge-Länge des Extensometers auftreten kann. Daher muss die Nenndehnung verwendet werden, um die prozentuale Dehnung an allen Punkten nach der Ausbeute zu melden. Die Verwendung eines Extensometers für die Bruchdehnung ist nur dann akzeptabel, wenn die Dehnung in der gesamten Probe homogen ist und keine Einschnürung oder Streckung auftritt.

Bluehill Universal Spannungsdehnungskurve und Testergebnisse

Modul

Kunststoffe, die ein unterschiedliches Verhalten aufweisen, können die Verwendung unterschiedlicher Modulberechnungen erfordern, um den elastischen Teil des Tests angemessen zu erfassen. Modernste Prüfsoftware ermöglicht die Anpassung von Modulberechnungen. Zu verstehen, wie der Modul berechnet wird, ist entscheidend, um die Konsistenz der Ergebnisse sicherzustellen.

Für ein Material, das keinen echten linearen Anteil aufweist, wird normalerweise ein Sekantenmodul empfohlen, weil er eine Modullinie zwischen Null und einem beliebigen benutzerdefinierten Punkt auf der Kurve erzeugt. Berechnungen für Segmentmodule bilden eine Best-Fit-Linie zwischen einem angegebenen Start- und Endpunkt und führen eine Anpassung der kleinsten Quadrate durch. Am häufigsten wird eine Berechnung des Elastizitätsmoduls verwendet, welche die Steigung über eine Reihe von Regionen bestimmt und die steilste Steigung über eine Anpassung der kleinsten Quadrate ergibt. Bluehill Universal ermöglicht es Bedienern, entweder eine Reihe von Regionen zu definieren oder die automatische Berechnung des Elastizitätsmoduls zu verwenden.

Durchsatz

Für Labore mit hohem Prüfbedarf können mehrere Änderungen am Zugmaschinenaufbau vorgenommen werden, um den Prüfprozess bis hin zu vollautomatischen Prüfsystemen zu beschleunigen um den Durchsatz zu erhöhen. Vollautomatische Systeme sind so konzipiert, dass sie die Messung, Beladung, Prüfung und Entnahme der Proben umfassen und stundenlang ohne Eingriff eines Bedieners laufen können. Diese Systeme tragen dazu bei, die Variabilität aufgrund menschlicher Fehler zu reduzieren, und können nach Schichtende laufen gelassen werden, um weiterhin Ergebnisse zu liefern, wenn die Bediener mit ihrem Arbeitstag fertig sind.


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