ISO 6892-1 Zugversuch Metall bei Raumtemperatur

Der Zugversuch ist weltweit der wichtigste und häufigste mechanisch-technologische Versuch, der für die Anwendungen von Metallen Festigkeits- und Dehnungskennwerte ermittelt, die für Auslegung und Konstruktion von Bauteilen, Gebrauchsgegenständen, Maschinen, Fahrzeugen, Bauwerken von entscheidender Wichtigkeit sind. 

Die Prüfaufgabe besteht darin, die Materialkennwerte sicher und reproduzierbar zu bestimmen und internationale Vergleichbarkeit zu erreichen. 

Der einachsige (uniaxiale) Zugversuch ist die Methode, um Kennwerte für Streck- oder Dehngrenze, Zugfestigkeit und Bruchdehnung zu ermitteln. Daneben werden untere Streckgrenze, Streckgrenzendehnung und Dehnungen bei Höchstkraft bestimmt. 

Beim Zugversuch an Metall wird in der Normung zwischen vier Temperaturbereichen, in denen die Zugversuche durchgeführt werden, unterschieden: der Raumtemperatur, der erhöhten Temperatur, der tiefen Temperatur und der Temperatur von flüssigem Helium. Die unterschiedlichen Temperaturbereiche und das Medium des flüssigen Heliums stellen ganz unterschiedliche Anforderungen an die Prüfsysteme und an das Prüfverfahren inklusive der vorzubereitenden Proben. Daher gliedert sich die internationale ISO Norm in vier unterschiedliche Teile, die jeweils die oben genannten Temperaturbereiche adressieren:

• ISO 6892-1 Prüfverfahren bei Raumtemperatur
• ISO 6892-2 Prüfverfahren bei erhöhter Temperatur
• ISO 6892-3 Prüfverfahren bei tiefen Temperaturen
• ISO 6892-4 Prüfverfahren in flüssigem Helium

Neben diesen international gültigen ISO Normen finden auch nationale Normen internationale Anwendung wie die amerikanischen ASTM, europäische EN, japanische JIS und die chinesische GB/T. Für spezielle Anwendungsfelder, z.B. der Luftfahrt, können weitere spezifische Normen wichtig bzw. erforderlich sein.

Für die Bestimmung von Streckgrenze und Zugfestigkeit ist nur eine präzise Kraftmessung erforderlich, während für alle anderen Kenngrößen eine (automatische) Dehnungsmessung mit einem Extensometer während des Versuches oder eine manuelle Dehnungsmessung nach Entnahme der Probe/ Probenreste erforderlich ist.

Die wichtigsten und eindeutig beschreibbaren Forderungen betreffen daher auch die Kraftmessung und die Messung der Längenänderung der Probe unter Krafteinwirkung.

• Für die Kraftmessung bezieht sich die ISO 6892 Normenreihe auf die ISO 7500-1 Prüfung und Kalibrierung der Kraftmesseinrichtung von Zug- und Druckprüfmaschinen und fordert mindestens die Klasse 1.
• Für die Messung der Längenänderung bezieht sich die ISO 6892 Normenreihe auf die ISO 9513 Kalibrierung von Längenänderungs-Messeinrichtungen für die Prüfung mit einachsiger Beanspruchung und fordert für die Bestimmung der Dehngrenzen mindestens die Klasse 1; für die Messung anderer Kennwerte (mit Dehnungen größer als 5%) darf die Klasse 2 eingesetzt werden.

In den Normen  für die Kraftmessung und die Längenänderungsmessung werden die Kalibrierprozesse beschrieben aber vor allem auch die Ergebnisse und die Definitionen der Klasseneinteilungen. Letzteres ist für die Anwendung in der Prüfpraxis von entscheidender Bedeutung. Über die Klassenzugehörigkeit lassen sich für das kalibrierte Messsystem maximal erlaubte Abweichungen und Auflösungen ableiten, die für die Bestimmung der Messunsicherheit des Messsystems herangezogen werden müssen.

• Die ASTM E8 bezieht sich für die Kraftmessung auf die ASTM E4,
• für die Längenänderungsmessung auf die ASTM E83.
• Die international angewandten Normen sind zwar in ihrer inhaltlichen Struktur bisweilen unterschiedlich, in ihren Definitionen und Forderungen jedoch so aufeinander abgestimmt, dass die relevanten Kennwerte aus dem Zugversuch nicht signifikant voneinander abweichen.

Eine zu beachtende Ausnahme ist die Bewertung und damit die Klasseneinteilung der Längenänderungsaufnehmer oder Extensometer. Während die ISO 9513 sich bei der Abweichung auf den zu erreichenden Sollwert bezieht, betrachtet die ASTM E83 zusätzlich auch das Verhältnis zur Anfangsmesslänge. Ein Extensometer, welches für kleine Anfangsmesslängen vorgesehen ist, muss höheren messtechnischen Anforderungen genügen als das für größere Anfangsmesslängen. 

Kennwerte, für die der Einsatz eines Extensometers mindestens der Klasse 1 nach ISO 9513 beim Zugversuch Metall notwendig ist, sind: 

• Anfangssteigung der Spannung-Dehnung-Kurve mE
• Dehngrenzen Rp und Rt

Kennwerte, für die der Einsatz eines Extensometers mindestens der Klasse 2 nach ISO 9513 beim Zugversuch Metall notwendig ist, sind: 

• Streckgrenzen-Dehnung Ae
• Gleichmaß-Dehnungen Ag und Agt sowie
• Plateaubereich e um die Zugfestigkeit Rm bzw. maximale Zugkraft Fm herum
• Bruchdehnungen A und At

Für die richtige Bestimmung von Streckgrenzen (R_eH und R_eL) und Dehngrenzen (R_p und R_t) sind neben genauer Kraft und Dehnungsmessung auch die Prüfgeschwindigkeiten entscheidend. Die Norm unterscheidet zwischen zwei Verfahren für die Einstellung der Prüfgeschwindigkeit: Im Verfahren B wird sie über die Spannungszunahme geregelt, im Verfahren A über die Dehnrate. Das Verfahren A, bei dem die Dehnrate oder Dehngeschwindigkeit berücksichtigt wird, wird aus folgenden Gründen empfohlen: 

• Metallische Werkstoffe ändern ihre charakteristischen Kennwerte, wenn sich die Dehnraten oder Dehngeschwindigkeiten, bei denen die Tests durchgeführt werden, ändern.
• In der Regel ergeben höhere Dehnraten oder Dehngeschwindigkeiten höhere Werte für die Festigkeiten.
• Abhängig von der Legierung und Erzeugnisqualität des metallischen Werkstoffes kann die Abhängigkeit von der Dehnrate oder Dehngeschwindigkeit sehr deutlich sein, d.h. außerhalb der Spezifikationsgrenzen für entsprechende Qualitäten.

Die Dehnratenregelung verbessert die Ergebnissicherheit bei der Bestimmung von Streckgrenzen und Dehngrenzen deutlich. Dafür bietet die ISO 6892-1 zwei Methoden für die Umsetzung der Regelung über die Dehnrate:

• Methode A1, eine automatische Regelung der Dehngeschwindigkeit unter Nutzung des Extensometersignals (geschlossener Regelkreis, "closed loop")
• Methode A2, die manuelle Einstellung durch Vorgabe einer Traversengeschwindigkeit, bei der dann die richtige Dehnrate bei Bestimmung des Kennwertes erreicht wird (offener Regelkreis, "open loop")

Das erste Verfahren nutzt die modernen technischen Möglichkeiten von Antriebsreglern, vorzugsweise einen adaptiven Regler, um die Traversengeschwindigkeit automatisch in dem von der Normung vorgegebenen Toleranzbereich für die Dehnrate zu halten. Dieses Verfahren setzt ein regelungstechnisch abgestimmtes Prüfsystem voraus, vereinfacht jedoch ganz erheblich den Testbetrieb und eliminiert Einstellfehler der Traversengeschwindigkeit. Somit ist dieses Regelverfahren zu empfehlen.

Für die präzise Einstellung der Dehnrate regelt die Elektronik testControll II die Geschwindigkeit der Prüfmaschine direkt über die Messwerte des Extensometers. Die Parameter zur Regelung der Prüfmaschine werden automatisch berechnet und adaptiv in Echtzeit angepasst. Dieser Vorgang nennt sich „closed loop“ mit adaptiver Regelung und erfolgt bei ZwickRoell Prüfmaschinen mit 1kHz. Dadurch werden die Norm-Anforderungen für die Einhaltung der Dehnrate sicher erfüllt. 

Alles läuft automatisch ab, ganz unkompliziert spart der Bediener viel Zeit und erzielt zuverlässige Ergebnissen mit geringer Streuung.