ASTM E8: Zugprüfung an metallischen Werkstoffen

Ausführung einer Zugfestigkeitsprüfung gemäß ASTM E8 / E8M

Verfasser Matthew Spiret

ASTM E8 / E8M ist neben ASTM A370 eines der gebräuchlichsten Prüfverfahren zur Bestimmung der Zugfestigkeit von metallischen Werkstoffen. Es wurde 1924 veröffentlicht und hieß ursprünglich ASTM E8-24T. Es ist damit der älteste aktiv verwendete Standard für die Prüfung von Metallen. Wie bei den meisten Standards, hat auch ASTM E8 oft häufige, geringfügige Änderungen erfahren. Eine der letzten dieser Änderungen war jedoch signifikant. Vor 2011 war ASTM E8 / E8M in zwei separate Standards unterteilt: E8 für imperiale Einheiten und E8M für metrische Einheiten. Die beiden Standards wurden nun zur Vereinfachung in ASTM E8 / E8M zusammengefasst.

 

Dieser Leitfaden führt Sie in die grundlegenden Elemente eines ASTM E8 / E8M Zugtests ein und bietet eine Übersicht über erforderliche Prüfgeräte, Software und Zugproben. Bei der Planung von Prüfverfahren nach ASTM E8 / E8M darf dieser Leitfaden jedoch nicht als gleichwertiger Ersatz für die Lektüre der vollständigen Norm betrachtet werden.


Was misst es?

ASTM E8 / E8M misst die Zugeigenschaften von metallischen Werkstoffen in beliebiger Form bei einer Umgebungstemperatur zwischen 10 – 38 Grad Celsius (50 – 100 Grad Fahrenheit). Obwohl ASTM E8 / E8M viele verschiedene Zugeigenschaften misst, sind die Folgenden die häufigsten:

  • Streckgrenze - Der Dehnpunkt, an dem ein Werkstoff permanent verformt wird
  • Streckgrenze Dehnung - Die Phase, während der ein Werkstoff vom elastischen Verhalten zum plastischen Verhalten übergeht
  • Zugfestigkeit - Die maximale Kraft oder Spannung, die ein Werkstoff aushalten kann
  • Bruchdehnung - Maß für die Duktilität, d.h. Fließfähigkeit oder Umformbarkeit eines Werkstoffes

Prüfsystem für Werkstoffe

Nachdem das Prüfen gemäß ASTM E8 / E8M an einer Vielfalt von Metallen ausgeführt wird, können die Anforderungen an die Systemkraft sehr vielfältig sein. Die Instron® Serie 5900 bietet Prüfrahmen, die für die Prüfung von Blechen (10kN) bis hin zu Stahlblechen (600kN) geeignet sind. Der Lastrahmen der Serie 5900 umfasst vorgespannte Lager, Präzisions-Kugelgewindetriebe, einen dicken Kreuzkopf und Basisträger sowie dehnungsarme Antriebsriemen. Diese Eigenschaften tragen zu einer besseren Leistung bei, indem sie präzisere Ergebnisse liefern und die während eines Tests gespeicherte Energie minimieren, was besonders bei der Prüfung von hochfesten Materialien wie Verbundwerkstoffe für die Luft- und Raumfahrt, Metalllegierungen und kristallinen Polymeren deutlich wird.

Steife Rahmen für hochfeste Materialien

Zugproben

ASTM E8 / E8M ermöglicht viele verschiedene Probentypen und definiert für jeden einzelnen geeignete Geometrien und Abmessungen. Stäbe, Rohre, Bleche, stiftbeladene Proben, runde Proben und pulvermetallurgische Produkte sind nur einige der vielen Optionen für eine Prüfung nach dieser Norm. Das häufigste Exemplar ist jedoch ein dogbone-förmiges Rechteck mit einer Breite von 12,5 mm (0,5 in) und einer Spurweite von 50 mm (2 in).

 ASTM E8 Proben

Prüfverfahren

Wie bei den gängigsten Metallprüfnormen, werden drei Arten von Prüfsteuerungen beschrieben: Spannungsratenkontrolle, Dehnungsratenkontrolle und Kreuzkopfverlagerungssteuerung. Für ASTM E8 / E8M werden Kontroll-Typen als Methoden A, B und C bezeichnet. Im folgenden Video werden die Unterschiede zwischen diesen Testkontrollmethoden ausführlicher erläutert. 

Spannzeuge

Für die E8 / E8M-Prüfverfahren gibt es viele verschiedene geeignete Spanntechnologien (Keil, Hydraulik, Pneumatik usw.). Sie lassen sich alle entweder als proportional oder nich-proportional einordnen, je nach der Art, mit der sie Klemmkraft auf die Probe aufbringen.

ASTM E8 Proportional versus Non-Proportional Spannzeuge Grafik

Bei proportionalen Spannzeugen ist die auf die Probe aufgebracht Kraft proportional zu der angelegten Zugkraft Bei steigender Zugkraft wird während der Prüfung auch die Spannkraft auf der Probe erhöht. Keilspannzeuge sind eine beliebte Ausführung für proportionales Spannen und komen in manuellen, pneumatischen und hydraulischen Versionen, passend für eine breite Auswahl von Prüfanwendungen. Die Form eines Keilspannzeugs ermöglicht es, proportionalen Druck auszuüben: wenn Zugkraft auf die Probe einwirkt, wird die Probe straffen in den engsten Bereich des Keils gezogen, wodurch der Spanndruck erhöht wird.

Bei nicht-proportionalen Spannzeugen bleibt die Spannkraft auf der Probe konstant und sie ist unabhängig von der angelegten Zuglast. Das ist normalerweise bei seitlich wirkenden und hydraulischen Keil-Spannzeugen, bei denen die Spannkraft durch eine Kraftquelle erzeugt wird, die nicht direkt mit der Spannungsbelastung der Probe in Zusammenhang stehen der Fall. Bei der Quelle handelt es sich gewöhnlich um eine Hochdruck-Hydraulikversorgung (210 bar/3000 psi oder höher). Ein Vorteil der nicht-proportionalen Spannzeuge ist, dass die Spannkraft gewöhnlich besser einstellbar ist, was zusätzliche potentielle Anwendungsvorteile bietet.

Probenschutz

Wenn während des Versuchsaufbaus eine Probe in die Spannzeuge eingeführt wird, entstehen in der Regel unerwünschte Druckkräfte. Dies liegt daran, dass eine kleine Menge Material durch den Druck verdrängt und zurück in den Körper der Probe extrudiert wird, wodurch effektiv gegen die Wägezelle gedrückt wird. Diese unerwünschten Kräfte können zu Verformungen in der Probe und Fehlern in den Testdaten führen. Da sie während des Testaufbaus keine schweren Kräfte ausüben, können proportionale Spannzeuge diese unerwünschten Kräfte auf einem niedrigeren Niveau halten als nicht-proportionale Spannzeuge. Die Instron 5900 Serie enthält einen Probenschutz, welcher die Position des Kreuzkopfes während des Versuchsaufbaus automatisch anpasst, um die Druckbelastung, unabhängig von der für die Prüfung gewählten Greiflösung automatisch zu entfernen.

Instron Spannzeuge für hohe Kraft

Extensometer zur Messung der Zugfestigkeit

Die meisten Metallprüfnormen erfordern hochpräzise Geräte, um Eigenschaften bei niedrigeren Dehnungswerten wie Modul oder Ausbeute zu bestimmen, und etwas ungenauere Geräte für hohe Dehnungswerte wie gleichmäßige Dehnung oder Gesamtdehnung. ASTM E8 / E8M erfordert ein Gerät der Klasse B2 oder besser (per ASTM E83), um Streckgrenze und Dehnungswerte zu bestimmen, die weniger als 5% Dehnung betragen. Für Ergebnisse von mehr als 5% Dehnung ist ein Gerät der Klasse C oder besser erforderlich.

Bei ASTM E8 Prüfverfahren werden drei verschiedene Arten von Extensometer eingesetzt: Ansteckgeräte, berührungslose Geräte und Extensometer mit automatischer Kontaktierung. Aufsteck-Extensometer wie die Serie 2630 werden am häufigsten verwendet. Diese Geräte können äußerst genaue und stabile Dehnungsdaten liefern und sind normalerweise kostengünstiger als andere Gerätetypen. Sie müssen auch robust genug sein, um in Testlabors mit hohem Durchsatz zu bestehen und jeden Schock durch Bruch von metallischen Proben hoher Kapazität absorbieren zu können.

Geräte mit automatischer Kontaktierung wie das AutoX750 bieten den Vorteil von wiederholbaren Spannkräften und Platzierungen, womit die Abweichungen von Bedienern beim manuellen Platzieren eines Aufsteck-Extensometers verringert werden. Geräte mit automatischer Kontaktierung können auch an mehrere Messlängen angepasst werden. Dies kann für Benutzer, die eine Vielzahl von Probenarten prüfen müssen, kostengünstig sein. In Kombination mit der Bluehill® Universal Software kann das AutoX750 so programmiert werden, dass es sich im Moment vor dem Systemversagen automatisch entfernt um einen übermäßigen Verschleiß der Messerschneiden zu verhindern.

Berührungslose Geräte wie das AVE 2 Automatic Video Extensometer bieten den Vorteil, dass jeglicher Einfluss seitens des die Probe berührenden Extensometers ausgeschlossen wird. Wenn zum Beispiel eine Probe sehr dünn ist, wie bei Verpackungsmetallen, kann das Gewicht eines Aufsteckgeräts die Ergebnisse bedeutend ändern. Die zum Befestigen des Geräts an einer fragilen Probe verwendeten Messerschneiden können ebenfalls die Probe beschädigen und zu vorzeitigem Versagen führen. Darüber hinaus besteht keine Gefahr, dass das Extensometer beim Prüfen von Materialien mit hoher Kapazitä beschädigt oder verschlissen wird, da das AVE keinen Kontakt mit dem Material hat.

Extensometer 

Berechnungen und Ergebnisse

Alle im ASTM E8 / E8M-Test erforderlichen Berechnungen sind in Buehill Universal bereits vorkonfiguriert. Für diejenigen, die es vorziehen, bei Null anzufangen und ihre eigene Methode zu erstellen, können manuell eingegebene Berechnungen auch einfach konfiguriert werden, um auf ASTM E8 zu testen. Das Paket für Metallmethoden enthält auch vorprogrammierte Methoden für alle folgende Normen: ASTM E8 / E8M, ASTM A370, ASTM 615, ASTM E646, ASTM E517, ISO 6892-1, EN10002, ISO 10113 & ISO 10275.

Bluehill Universal Testmethode

Durchsatz

Die meisten Labore, die nach ASTM E8 / E8M prüfen, müssen regelmäßig eine hohe Anzahl von Proben prüfen. Aus diesem Grund ist alles vorteilhaft, was den Durchsatz erhöhen kann. Glücklicherweise gibt es viele Optionen mit denen ein Labor seinen Durchsatz für ASTM E8 / E8M-Prüfverfahren beschleunigen kann. Kleine Änderungen an der Software können wiederholte Aufgaben verringern, und mit manchen Spannzeugen und Extensometern können Setup-Zeiten verkürzt und Reproduzierbarkeiten verbessert werden, wodurch der Bedarf an Nachprüfungen sinkt. Und schließlich gibt es die Option, den gesamten Prüfprozess komplett zu automatisieren, wobei die Prüfungen mehrere Stunden durchgeführt werden, ohne dass ein Eingrif eine Bedieners nötig wäre.

 

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