DIN EN ISO 6892-1, ASTM E 8 Zugversuch Metall bei Raumtemperatur

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 den Zugversuch an Metall bzw. metallischen Werkstoffen werden hauptsächlich die DIN EN ISO 6892-1 und die ASTM E 8 zugrunde gelegt. Beide Normen legen Probenformen und deren Prüfung fest. Ziel der Normen ist es, das Prüfverfahren so zu beschreiben und festzulegen, dass selbst bei Einsatz unterschiedlicher Prüfsysteme die zu ermittelnden Kennwerte vergleichbar und richtig bleiben. Das heißt auch, dass die normativen Anforderungen auf wichtige Einflussfaktoren eingehen und Forderungen allgemein formulieren, so dass ausreichender Spielraum für technische Realisationen und Innovationen bleibt.

Wichtige Kenngrößen aus dem Zugversuch Metall sind:

• Die Streckgrenze; genauer die obere und untere Streckgrenze (R_eH und R_eL)
• Die Dehngrenze; in aller Regel bei 0,2 % plastischer Dehnung als „Ersatzsteckgrenze“ bestimmt (R_p0.2)
• Die Streckgrenzen-Dehnung; genauer die Streckgrenzen-Extensometer-Dehnung, weil sie nur mit Hilfe eines Extensometers bestimmt werden kann (A_e)
• Die Zugfestigkeit (R_m)
• Die Gleichmaßdehnung (A_g)
• Die Bruchdehnung (A), wobei die normativen Festlegungen in Bezug auf die Messlänge von entscheidender Bedeutung sind

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 Serie 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 Serie 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 E 8 bezieht sich für die Kraftmessung auf die ASTM E 74,
• für die Längenänderungsmessung auf die ASTM E 83.
• 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 E 83 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:

• 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.
• Diese Tatsache hat dazu geführt, dass die internationale Normung eine zusätzliche Methode für die Einstellung der richtigen Prüfgeschwindigkeit eingeführt hat, bei der in allen Prüfphasen die Einhaltung von spezifischen Dehnraten oder auch Dehngeschwindigkeiten in engeren Toleranzen gefordert wird.

Seit 2009 haben die ISO und ASTM gleichermaßen diese sogenannte Dehnratenregelung oder auch Dehngeschwindigkeitsregelung in ihre Norm zum Zugversuch Metall aufgenommen, um die Ergebnissicherheit bei der Bestimmung von Streckgrenzen und Dehngrenzen zu verbessern.

Beide Normen, und im Anschluss daran auch weitere nationale Normen wie z.B. die JIS Z 2241 und GB/T 228, haben zwei Arten der Umsetzung dieser Dehnratenregelung vorgeschlagen:

• erstens eine automatische Regelung unter Nutzung des Extensometersignals (geschlossener Regelkreis, "closed loop") und
• zweitens 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, 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.

Die Bruchdehnung A oder A_t ist ein Maß für die Duktilität, also Fließfähigkeit oder Umformbarkeit eines Werkstoffes.

Die Bruchdehnung A_t kann nur mit Längenänderungsaufnehmern (Extensometern) bestimmt werden, die bis einschließlich des Bruches an der Probe verbleiben und die Dehnung der Probe messen können. 

Die Bruchdehnung A wurde in der Regel manuell gemessen, während sie heute auch mit Längenänderungsaufnehmern gemessen wird. Die korrekte Bestimmung des Punktes, an dem die Probe bricht (Bruchpunkt) ist somit bei der automatischen Messung von entscheidender Bedeutung.

Moderne Algorithmen, die die Spannung-Dehnung-Kurve automatisch analysieren, sorgen für eine sichere Festlegung des Bruchpunktes und eine genaue Bestimmung der Bruchdehnung. Die Bruchlage entlang der Probe, genauer der parallelen Länge der Probe, ist ebenfalls von Wichtigkeit für die sichere und genaue Bestimmung der Bruchdehnung. Liegt der Bruch oder das Versagen außerhalb der Messlänge von taktilen Längenänderungsaufnehmern kann die plastische Verformung währende der Einschnürung und des Versagens nicht richtig bestimmt werden. Moderne Auswertealgorithmen schätzen die Lage des Versagens bzw. des Bruches relativ zu den Messpunkten des Längenänderungsaufnehmers ab und kennzeichnen einen nicht sicheren Bruchdehnungskennwert.

Mit optischen, berührungslosen Längenänderungsaufnehmern, die die gesamte parallele Länge der Probe erfassen, kann die Lage des Bruches oder des Versagens bestimmt werden. Ist die Lage des Bruches außerhalb der ursprünglichen Messlänge, kann normgerecht nach ISO 6892-1:2017 Anhang I die Bruchdehnung dennoch bestimmt werden, wenn entsprechend viele Messmarken während des Versuches betrachtet und mitgemessen wurden. Der laserXtens Array und auch der videoXtens Array können diese Aufgabe optional lösen. Damit sind Bruchdehnungen bei 100% der Proben automatisch sicher und genau bestimmbar.

Die JIS Z 2241 sieht vor, eine Klassifizierung der Bruchlage vorzunehmen. Dies erfolgt in der Regel manuell durch visuelle Prüfung oder auch durch separate berührungslose Messung. Beide Methoden sind personell und zeitlich aufwendig. Mit modernen optischen, berührungslosen Längen- und Breitenänderungsaufnehmern lässt sich diese Aufgabe während des Zugversuches automatisch lösen: die Angabe der Klasse (je nach Bruchlage A, B oder C) ist dann Teil der bestimmten, protokollierbaren Ergebnisse.