Der maßgebliche Leitfaden zur ASTM E8/E8M-Zugprüfung von Metallen

Ausführung einer Zugfestigkeitsprüfung gemäß ASTM E8/E8M

Verfasser Matthew Spiret

ASTM E8/E8M ist eines der gängigsten Prüfverfahren zur Bestimmung der Zugeigenschaften von metallischen Werkstoffen. Das andere ist ASTM A370. Die erste Ausgabe von ASTM E8/E8M erschien 1924 unter dem Titel „ASTM E8-24T“. Sie ist die älteste Norm die noch in aktivem Gebrauch zum Prüfen von Metallen ist. Wie die meisten Normen ist auch ASTM E8 oft geringfügig geändert worden. Vor nicht allzu langer Zeit war eine dieser Änderungen jedoch von größerer Bedeutung. Vor 2011 war ASTM E8/E8M in zwei getrennte Normen aufgeteilt. E8 für SI-Benutzer und und E8M für Benutzer des metrischen Systems. Der Einfachheit halber wurden die beiden Normen zu ASTM E8/E8M kombiniert.

 

Mit dieser Anleitung sollen Sie in die grundlegenden Elemente einer ASTM E8/E8M Zugprüfung eingeführt werden und eine Übersicht über erforderliche Prüfgeräte, Software und Proben erhalten. Beim Planen von Prüfverfahren nach ASTM E8/E8M darf jedoch diese Anleitung nicht als gleichwertiger Ersatz für das Lesen der vollständigen Norm betrachtet werden.


Was wird gemessen?

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

  • Streckgrenze: Der Dehnpunkt, an dem ein Material permanent verformt wird
  • Streckgrenzendehnung: Die Phase, während der ein Material von elastischem zu plastischem Verhalten übergeht
  • Zugfestigkeit: Die maximale Kraft oder Belastung, die ein Material aufrechterhalten kann
  • Flächenreduzierung: Maß der Duktilität des Materials

Materialprüfsystem

Da das Prüfen gemäß ASTM E8/E8M an einer derart großen Vielfalt von Metallen ausgeführt wird, können die Anforderungen an die Systemkraft ebenso vielfältig sein. Die Instron® Serie 5900 bietet Prüfrahmen für das Prüfen von Blechmetall (10 kN) bis hin zu Stahlplatten (600 kN). Der Lastrahmen der Serie 5900 wird mit vorgespannten Lagern, Präzisions-Kugelschrauben, einem starken Traversen- und Basisträger und Antriebsriemen mit geringerer Dehnung geliefert. Mit diesen Funktionen wird eine bessere Leistung erzielt, da genauere Ergebnisse erhalten werden und die während einer Prüfung gespeicherte Energie minimiert wird. Dies wird besonders deutlich beim Prüfen von hochfesten Materialien wie Verbundwerkstoffen für die Luft/Raumfahrt, Metalllegierungen und kristallinem Polymer.

Steife Rahmen für hochfeste Metalle

Zugfestigkeitsproben

Für ASTM E8/E8M sind viele verschiedene Probenarten zulässig, und passende Formen und Abmessungen für jede Art werden in der Norm beschrieben. Stäbe, Rohre, Bleche, stiftbelastete Proben, runde Proben und pulvermetallurgische Produkte sind nur einige der vielen Optionen zum Prüfen nach dieser Norm. Die häufigste Probenform ist jedoch ein taillierter Streifen mit einer Breite von 12,5 mm und einer Messlänge von 50 mm.

 ASTM-E8-Proben

Prüfmethoden

Wie bei den meisten gewöhnlichen Metallprüfungsnormen werden drei Arten von Prüfungskontrollen beschrieben: Kontrolle von Belastungsrate, Dehnungsrate und Traversenverschiebung. Für ASTM E8/E8M werden diese Arten als Methoden A, B und C bezeichnet. In dem Video unten werden die Unterschiede zwischen diesen Prüfmethoden näher besprochen.

Spannzeuge

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

ASTM-E8-Diagramm Proportionale gegenüber Nicht-Proportionale Spannzeuge

Bei proportionalen Spannzeugen ist die auf die Probe aufgebrachte 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 sind in manuellen, pneumatischen und hydraulischen Versionen erhältlich, passend für eine breite Auswahl an Prüfanwendungen. Die Form eines Keilspannzeugs ermöglicht zudem, proportionalen Druck auszuüben: Wenn Zugkraft auf die Probe einwirkt, wird die Probe straffer 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. Dies ist normalerweise der Fall 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 steht. Bei der Kraftquelle 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 einstellbar ist, was zusätzliche potentielle Anwendungsvorteile bietet.

Probenschutz

Wenn eine Probe bei der Prüfeinrichtung in das Spannzeug eingeführt wird, werden dabei gewöhnlich ungewünschte Druckkräfte erzeugt. Der Grund dafür ist, dass ein kleiner Teil des Materials durch den Druck verschoben und in den Probenkörper zurückgedrängt wird und dabei gegen die Wägezelle drückt. Diese unerwünschten Kräfte können zu Verformungen in der Probe und Fehlern in den Prüfdaten führen. Proportionale Spannzeuge können diese unerwünschten Kräfte geringer halten als nicht-proportionale Spannzeuge, da sie keine großen Kräfte während der Prüfeinrichtung anlegen. Die Instron Serie 5900 enthält Probenschutz, ein Programm, das die Position der Traverse bei der Prüfeinrichtung automatisch einstellt, um die Drucklast zu entfernen, ungeachtet der für das Prüfverfahren ausgewählten Spannlösung.

Instron Spannzeuge für hohe Kraft

Extensometer zum Messen von Zugfestigkeit

Für die meisten Standardverfahren für die Prüfung von Metallen ist ein hochgenaues Gerät zur Bestimmung von Eigenschaften bei niedrigeren Dehnungswerten erforderlich, wie Modul oder Streckung. Ein Gerät mit einem etwas niedrigeren Genauigkeitsanspruch ist erforderlich für hohe Dehnungswerte wie gleichmäßige Dehnung und Gesamtdehnung. ASTM E8/E8M erfordert ein Gerät der Klasse B2 oder höher (gem. ASTM E83) für die Bestimmung der Streckungs- und Dehnungswerte bei unter 5 % Dehnung. Bei Ergebnissen über 5 % Dehnung ist ein Gerät der Klasse C oder höher erforderlich.

Bei ASTM-E8-Prüfverfahren werden drei verschiedene Arten von Extensometern eingesetzt: Aufsteckgeräte, 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 robust genug sein, um in Laboren mit hohem Durchsatz bestehen und jeden Schock durch Versagen von metallischen Proben hoher Kapazität absorbieren zu können.

Geräte mit automatischer Kontaktierung wie das AutoX750 bieten den Vorteil von reproduzierbaren Spannkräften und Platzierungen, womit Abweichungen zwischen Bedienern beim manuellen Platzieren eines Aufsteck-Extensometers eliminiert werden können. Geräte mit automatischer Kontaktierung können auch an mehrere Messlängen angepasst werden. Dies kann für Benutzer kostengünstig sein, die eine Vielzahl von Probenarten prüfen müssen. In Kombination mit der Bluehill® Universal Software kann der AutoX750 so eingestellt werden, dass er sich kurz vor dem Versagen der Probe automatisch entfernt, um einen übermäßigen Verschleiß der Messerklingen 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, kann das Gewicht eines Aufsteckgeräts die Ergebnisse bedeutend verändern. Die zum Befestigen des Geräts an einer fragilen Probe verwendeten Messerschneiden können die Probe ebenfalls beschädigen und zu vorzeitigem Versagen führen. Des Weiteren besteht keine Gefahr, dass das Extensometer beim Prüfen von Materialien mit hoher Kapazität beschädigt oder verschlissen wird, da das AVE keinen Kontakt mit dem Material hat.

Extensometer 

Berechnungen und Ergebnisse

Alle in ASTM E8/E8M-Prüfungverfahren erforderten Berechnungen sind bereits in Bluehill Universal programmiert. Wenn Sie jedoch vorziehen, von Grund auf zu beginnen und Ihre eigene Methode zu entwickeln, kann die Eingabe Ihrer eigenen Berechnungen zum Prüfen nach ASTM E8 konfiguriert werden. Das Metallmethoden-Paket enthält auch programmierte Methoden für alle folgende Normen: ASTM E8/E8M, ASTM A370, ASTM 615, ASTM E646, ASTM E517, ISO 6892-1, EN10002, ISO 10113 und ISO 10275.

Bluehill-Universal-Testmethode

Durchsatz

Die meisten Labore, die nach ASTM E8/E8 prüfen, müssen regelmäßig eine hohe Anzahl von Proben prüfen. Aus diesem Grund ist alles, was zur Erhöhung des Durchsatzes getan werden kann, von Vorteil. Glücklicherweise gibt es viele Optionen, mit denen ein Labor seinen Durchsatz für ASTM-E8/E8-Prüfverfahren beschleunigen kann. Kleine Änderungen an der Software können wiederholte Aufgaben verringern, und mit manchen Spannzeugen und Extensometern können Setup-Zeit verkürzt und Reproduzierbarkeit 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 lang durchgeführt werden können, ohne dass ein Bedienereingriff nötig wäre.

Bluehill Universal Brochure

Bluehill Universal Software is built from the ground-up for touch interaction and an intuitive user experience. Discover simpler and smarter testing with features such as pre-loaded test methods, QuickTest in seconds, enhanced data exporting: and Instron Connect – a new feature that provides a direct communication link to Service. Users of previous versions of software such as Bluehill 2 and Bluehill 3 can easily upgrade to the newest version of Bluehill.

2743-401 Hydraulic Wedge Grips

Instron's 100 kN hydraulic wedge grips provide an innovative solution for high-capacity testing and delivery enhanced gripping performance, usability, and operator safety. 

AVE 2 Non-Contacting Video Extensometer

The second generation Advanced Video Extensometer (AVE 2) utilizes patented measurement technology in the fastest, most accurate non-contacting strain measurement device commercially available.

2630 Series Strain Gauge Extensometers

 The 2630-100 series of extensometers offers speed of attachment and ease-of-use. The light-weight, rugged cross-brace design eliminates errors caused by physical distortion, while built-in protection ensures that damage is not caused by over-extension.