ASTM A370: Mechanische Prüfung von Stahlprodukten
Zugprüfung von Metallen
ASTM A370 ist eine der am weitesten anerkannten und umfassendsten Normen zur Messung der Zugfestigkeit von Metallen. Sie wird von vielen Branchen wie dem Bauwesen und der Automobilherstellung verwendet, wo die Sicherheit von der Qualität der Materialien abhängt. Zusätzlich zu Zugprüfungen beschreibt die Norm auch Charpy-Kerbschlagbiege-, Biege- sowie Brinell- und Rockwell-Härteprüfungen an Metallen, die in den Normen ASTM E-23, ASTM E190, ASTM E10 und ASTM E18 näher erläutert werden.
Dieser Leitfaden soll Sie mit den grundlegenden Elementen einer Zugprüfung nach ASTM A370 vertraut machen und einen Überblick über die erforderliche Prüfausrüstung, Software und Proben geben. Dieser Leitfaden gilt nicht als adäquater Ersatz für das Lesen und Befolgen der vollständigen Norm.
Unterschiede zwischen ASTM A370 und ASTM E8
ASTM A370 verwendet dieselbe Prüfausrüstung und Prüfverfahren wie eine andere wichtige Norm für Metallprüfungen, ASTM E8. A370 unterscheidet sich von E8 dadurch, dass sie die Probenmerkmale von Stählen für verschiedene Produkttypen genauer definiert. Diese Produkte behandeln die Prüfung von Stäben, Rohren, Verbindungselementen und Runddraht und sind in den Anhängen zu ASTM A370 zusammen mit einigen verfahrenstechnischen Klarstellungen enthalten. Es ist wichtig zu beachten, dass die Anhänge zwar ergänzend zum allgemeinen Teil der Norm sind, die Produktnorm jedoch im Konfliktfall häufig Vorrang hat.
Was wird gemessen?
Obwohl ASTM A370 verschiedene Prüfarten referenziert, liegt der Schwerpunkt auf der Zugprüfung. Die am häufigsten gemessenen Eigenschaften sind die folgenden:
- Elastizitätsmodul – Ein Maß für den Widerstand eines Materials gegen elastische Verformung
- Streckgrenze – Die Spannung, bei der ein Material dauerhaft verformt wird
- Zugfestigkeit – Die maximale Kraft oder Spannung, die ein Material aushalten kann
- Querschnittsverminderung – Ein Maß für die Duktilität eines Materials
- Gesamtdehnung – Ein Maß für die prozentuale Längenzunahme nach dem Versagen
Werkstoffprüfsystem
Da die Prüfung nach ASTM A370 an einer Vielzahl von Stahlprodukten und Probengeometrien durchgeführt wird, können die Kraftanforderungen des Systems stark variieren. Die Industrial Series von Instron bietet Prüfrahmen, die für die Prüfung bearbeiteter Edelstahlrundstäbe (300 kN) bis hin zu dickwandigen Rohrprodukten (2000 kN) geeignet sind. Die Lastrahmen der Industrial Series verfügen über hochsteife Kugelgewindetriebe und Säulen, Dehnungsmessstreifen-Kraftmessung und Spielbeseitigung für Langlebigkeit. Diese Merkmale tragen zu einer besseren Leistung bei, indem sie genauere Ergebnisse liefern und die während einer Prüfung gespeicherte Energie minimieren, was besonders bei der Prüfung hochfester Materialien wie Federdraht und Verbindungselementen mit großem Durchmesser deutlich wird.
Prüfverfahren
Wie bei den meisten gängigen Normen für Metallprüfungen beschreibt ASTM A370 drei Arten von Prüfsteuerungen: Spannungsratensteuerung, Dehnungsratensteuerung und Traversenweg-Steuerung. Für ASTM E8 / E8M werden diese Steuerungsarten als Methoden A, B und C bezeichnet. In ASTM A370 bezieht sich die Zugprüfsteuerung auf die Methoden von ASTM E8/E8M mit der Ergänzung bestimmter Berechnungen, die für die verschiedenen Materialien und Anwendungen innerhalb der Norm ASTM A370 spezifisch sind. Hersteller führen Prüfungen üblicherweise mit Traversenweg-Steuerung für die gesamte Prüfdauer durch oder verwenden Spannungsratensteuerung für die Berechnung des Elastizitätsmoduls und wechseln dann zur Traversenweg-Steuerung für den Rest der Prüfung. Das folgende Video erläutert die Dehnungsratensteuerungsmethode ausführlicher.
Einspannvorrichtungen und Extensometer
Obwohl es viele verschiedene Einspanntechnologien gibt, die für die Prüfung runder und flacher Materialien geeignet sind, sind hydraulische Keil- oder Seitenwirkungs-Einspannungen beliebte und vielseitige Optionen, obwohl einige der in ASTM A370 behandelten Materialien (z. B. Rohre und Verbindungselemente) spezifischere Lösungen erfordern.
Anhang 1 – Stab
Dieser Anhang behandelt die Probenabmessungen und Anforderungen an die Extensometer-Messlänge für warmgewalztes und kaltgezogenes Stabmaterial für flache, runde, quadratische, sechseckige und achteckige Probenformen. Proportionale Keileinspannungen werden im Allgemeinen für die Prüfung von Stabmaterial empfohlen. Aufgrund seiner extrem hohen Zugfestigkeit kann einiges Stabmaterial (insbesondere das zur Herstellung von Federn verwendete) jedoch bei Auftreten von Schlupf während einer Zugprüfung schwere Schäden an den Backen einer Standard-Keileinspannung verursachen. In diesen Fällen empfehlen wir eine seitenwirkende nicht-proportionale Einspannung, um das Material während der Prüfung und beim Probenversagen sicherer zu halten.
Alle warmgewalzten Stabproben erfordern ein Instrument mit 8" Messlänge zur Dehnungsmessung, da sie vollständig und unbearbeitet sind. Geeignete Optionen für die Extensometrie sind entweder ein Instron AUTOX750 mit einstellbarer Messlänge oder ein manuelles Aufsteck-Gerät mit einer dedizierten 8"-Messlänge wie Instrons E-Serie W-6280-8 und W-6280-200. Warmgewalztes Material kann leider nicht mit einem berührungslosen Extensometer wie Instrons AVE3 geprüft werden, da die Schuppenreste während der Prüfung entweder dazu führen, dass die Messmarkierungen von der Probe abfallen oder das Instrument die Messmarkierungen nicht mehr erfassen kann.
Kaltgezogene Materialproben haben einen durch Bearbeitung reduzierten Querschnitt und verwenden daher ein geeignetes Extensometer mit 2" Messlänge wie das AUTOX750, AVE2 oder ein manuelles Aufsteck-Gerät. Extensometrie der Klasse B2 ist für eine 0,2 % Dehngrenze geeignet, aber ein Gerät der Klasse B1 wird empfohlen, falls eine niedrigere prozentuale Streckgrenzenberechnung erforderlich ist.
Anhang 1 behandelt auch Biegeprüfungsanforderungen für warmgewalzte und kaltgezogene Stäbe. Prüfungen werden an vollständigem Material durchgeführt, wenn die Materialabmessungen dies zulassen, und der Anhang spezifiziert Abmessungen für bearbeitete Proben, wenn erforderlich. Biegeprüfungen werden zum Zweck der visuellen Inspektion des Materials auf Oberflächenrisse durchgeführt und erfordern Instrons Biegeprüfvorrichtungen W-6810 und W-6812.
Anhang 2 – Rohr
Bei der Prüfung von Rohrprodukten wie vollständigen Rohren oder aus Rohr geschnittenen Zugproben ist eine proportionale Keileinspannung eine angemessene und wirtschaftliche Lösung. Wenn ein Abflachen der Enden der Zugproben nicht gewünscht wird, empfehlen wir die Verwendung gekrümmter Backensätze, die besonders nützlich für die Prüfung von Proben mit dicken Wänden und höherer Zugfestigkeit sind, da sie Schlupf eliminieren und die Dehnungsgenauigkeit zu Beginn der Prüfung erhöhen.
Dehnungsmesslösungen für Rohr können entweder automatische berührende Extensometer wie das AUTOX750 oder ein manuelles Aufsteck-Gerät wie Instrons W-6280 Serie sein. Für die Prüfung vollständiger Rohrprodukte kann das AUTOX750 einen maximalen Probendurchmesser von 100 mm mit einer Messlänge von 2" aufnehmen. Extensometrie der Klasse B2 ist für eine 0,2 % Dehngrenze geeignet, aber ein Gerät der Klasse B1 wird empfohlen, falls eine niedrigere prozentuale Streckgrenzenberechnung erforderlich ist.
Anhang 2 beschreibt auch mehrere Druckprüfungen zum Nachweis der Duktilität bestimmter Rohrprodukte, einschließlich Abflach-, Rückabflach-, Quetsch-, Flansch-, Aufweit-, Biege- und Querbiegeprüfungen. Einfache Druckamboss- und Matrizen können viele dieser Prüfungen problemlos erfüllen, mit Ausnahme der geführten Biegeprüfung, für die Instron die W-6810 Vorrichtung anbietet.
Anhang 3 – Verbindungselemente
Die Prüfung von Verbindungselementen erfordert spezielle Einspannzubehör, das den Kopf des Verbindungselements stützt und die Zugspannung auf den Gewindeabschnitt der Probe konzentriert. Sie bestehen aus Schraubenhaltern und Unterlegscheiben verschiedener Durchmesser, Winkel, Gewinde und Steigung, um jede spezifische Größe des Verbindungselements anzupassen. Falls ein Verbindungselement zu groß ist, um an einem bestimmten Prüfsystem geprüft zu werden, ist es zulässig, eine traditionelle 0,505"-Probe mit Standard-2"-Messlänge zur Prüfung zu bearbeiten. Zusätzlich zu axialen Prüfungen sind zwei Arten von Scherprüfungen (doppelt und einfach) ebenfalls wichtig und werden von ASTM F-606 und MIL-STD 1312 gefordert, zusammen mit Vorspannprüfungen von Muttern mit einem Mutternprüfdorn.
Extensometrie ist bei der Prüfung von Verbindungselementen im Allgemeinen nicht erforderlich, kann jedoch hilfreich sein, um festzustellen, ob das Material eine Dehnung aufweist. Eine geeignete Wahl ist Instrons W-E439.
Anhang 4 – Runddraht
Anhang 4 konzentriert sich hauptsächlich auf zwei Einspanntypen für Runddrahtprodukte: eine sekundäre Keileinspannung und eine Nocken-Klemmeinspannung. Beide Lösungen gelten als geeignet für die Prüfung von Draht mit geringerer Kapazität, der auch formbar ist. Die Messlänge für die Prüfung vollständiger Runddrahtproben beträgt 10". Backenbrüche können eine häufige Herausforderung bei der Prüfung dieser Probenart sein, da die Ergebnisse der Prüfung nicht als berichtsfähig gelten, wenn das Probenversagen nahe den Einspannungen auftritt. Aus diesem Grund ist die Ausrichtung der Einspannungen wichtig. Falls eine Dehnungsmessung erforderlich ist, ist ein Aufsteck-Gerät mit 10" Messlänge geeignet, ebenso wie eine automatische Lösung wie das AUTOX750.
| ASTM A370 Runddrahtvorrichtung | |
|---|---|
| 2714-107 Reifencord-Einspannung | |
Anhang A5 – Charpy-Kerbschlagbiegeprüfung
Die Charpy-Kerbschlagbiegeprüfung für die gesamte absorbierte Energie wird sowohl im allgemeinen Teil von A370 als auch in Anhang A5 ausführlich behandelt. Dies ist eine erforderliche Prüfung bei der Herstellung der meisten in der Norm beschriebenen Stähle. Die Probenabmessungen sind genau definiert, und bildliche Beispiele der verschiedenen Versagensarten sind enthalten. Für weitere Details verweist ASTM A370 auf die Charpy-Kerbschlagbiegenorm ASTM E-23. Instron bietet geeignete Lösungen von 300 Joule bis 900 Joule an, wie das MPX-System mit Bluehill Impact-Software.
Frühere Anhänge
In der jüngsten Aktualisierung von ASTM A370 wurden Anhang A7 (Mehrdrahtlitze) und Anhang A9 (Stahlbewehrungsstab) in ihre jeweiligen Produktnormen ASTM A1061/A1061M und ASTM A615 verschoben. Aufgrund ihrer langjährigen Aufnahme in früheren Versionen von ASTM A370 werden wir diese Anwendungen in diesem Leitfaden dennoch behandeln.
7-Drahtlitze wird normalerweise bei der Herstellung von vorgespanntem Beton verwendet. Es ist schwierig, Drahtlitzen ohne die richtige Ausrüstung zu prüfen, und obwohl eine proportionale Keileinspannung akzeptabel ist, ist eine nicht-proportionale seitenwirkende Einspannung eine wesentlich bessere Wahl sowohl für Konsistenz als auch für Ergebnisse. Gemäß der Norm ASTM A1061/A1061M betragen die Probenlängen 48 Zoll und erfordern ein Dehnungsmessgerät mit 24" Messlänge zur ordnungsgemäßen Messung der Längenänderung.
Bewehrungsstahl oder „Rebar“ ist ein weiteres Material, bei dem die Proben keinen verjüngten Querschnitt aufweisen und daher ein Extensometer mit einer Messlänge von 8"/200 mm erfordern. Für diesen Test ist ein proportionaler Keilspannzeug geeignet. In Nordamerika basiert die Größenkonvention auf # 8 Bewehrungsstahl mit einem Nenndurchmesser von 1" bzw. 8/8 Zoll. Das Material mit dem größten Durchmesser, das in den letzten Jahren in die Produktnorm aufgenommen wurde, ist # 20 Gewindestahl, der zudem eine Zugfestigkeit von 100 ksi aufweist. Die Prüfung des größten Produkts führt zu Spitzenprüflasten von 720.000 lbs. Eine zusätzliche Prüfung nach der Norm AC133 ist ein Kupplungstest für Bewehrungsstahl, der in einem Nulldurchgangszyklus unter Verwendung eines doppelseitig wirkenden oder einseitig wirkenden, nicht-proportionalen Spannzeugs durchgeführt wird.
Berechnungen und Ergebnisse
Alle für die Prüfung nach ASTM A370 erforderlichen Berechnungen sind bereits in Bluehill Universal vorkonfiguriert. Für diejenigen, die lieber von Grund auf beginnen und ihre eigene Methode erstellen möchten, können manuell eingegebene Berechnungen ebenfalls problemlos für die Prüfung nach ASTM A370 konfiguriert werden. Das Metallmethodenpaket bietet auch vorgefertigte Methoden für alle folgenden Normen: ASTM E8 / E8M, ASTM 615, ASTM E646, ASTM E517, ISO 6892-1, EN10002, ISO 10113 & ISO 1027.
Broschüre zu universellen Hochleistungs-Prüfmaschinen
Zu den Hochleistungs-Systemen von Instron gehören elektromechanische und hydraulische Prüfsysteme mit hoher Kapazität für Anwendungen mit Spannung und Kompression. Kraftkapazitäten reichen von 100 kN bis 2000 kN.
Broschüre Serie 6800 Premier Testing Systems
Universal-Testsysteme der Instron Serie 6800 bieten unvergleichliche Genauigkeit und Zuverlässigkeit. Die 6800 Serie basiert auf einer zum Patent angemeldeten Operator-Protect-Systemarchitektur mit einem brandneuen Smart-Close Air Kit und Collision-Mitigation-Funktionen, wodurch Materialtests einfacher, intelligenter und sicherer sind als je zuvor.
Hydraulic Side-Action Grips (DuraSync)
Instron hydraulic side-action grips are designed for high-capacity testing and maintain a constant clamping force on the specimen that acts perpendicular to the direction of testing and is independent of tensile loading.
2743-401 Hydraulische Keilzugspannzeuge
Die hydraulischen Keilzug-Spannzeuge von Instron mit 100 kN bieten eine innovative Lösung für Tests und Ergebnisse mit hoher Kapazität zur Verbesserung der Greifleistung, Benutzerfreundlichkeit und Bedienersicherheit.
Industrial Series DX Models
Designed for high-capacity tensile, compression, bend/flex, and shear testing, DX Series testing systems feature a dual test space and single footprint. Understanding the critical importance of operator safety, these frames incorporate high-quality materials, components, and craftsmanship and are ideal for testing metals, wire rod, fasteners, concrete, and wood.
Motorized Impact Testing System (MPX)
The Instron® MPX Series of motorized pendulum impact testers are preferred for metals impact testing to Charpy and Izod standards.
