ASTM D638 Zugeigenschaften von Kunststoffen
Der Zugversuch nach ASTM D638 ist eine der am häufigsten eingesetzten Methoden zur Bewertung der mechanischen Eigenschaften von Thermoplasten und härtbaren Formmassen.
In der Praxis werden jedoch häufig deutliche Unterschiede bei Zugfestigkeit, Modul, Streckspannung und Dehnung zwischen Laboren, Bedienern und Prüfsystemen beobachtet. Die Ursache liegt selten allein in der Prüfmaschine. Abweichungen bei Probenvorbereitung, Probenvermessung, Auswahl des Extensometers, Konditionierung unter Umgebungsbedingungen, Auswahl der Probenhalter und Prüfgeschwindigkeit können die Prüfergebnisse beeinflussen.
ZwickRoell unterstützt Labore dabei, die Streuung der Prüfergebnisse durch abgestimmte Prüfsysteme, intelligente Software, automatisierte Workflows und branchenführende Technologien zur Dehnungsmessung zu minimieren.
Häufige Fehlerquellen Versuchsdurchführung & Prüfmittel Einsatzbereiche FAQ'sDownloads Beratung anfordern
ASTM D638: Das Wichtigste in Kürze
- ASTM D638 beschreibt den einachsigen Zugversuch an verstärkten und unverstärkten Kunststoffen zur Bestimmung von Zugspannung, Dehnung, Zugmodul, Zugfestigkeit, Streckpunkt und den Bruchpunkt und optional der Poissonschen Zahl.
- Die Norm gilt für Probekörper mit einer Dicke zwischen 1 mm und 14 mm. Für Folien unter 1 mm, Elastomere, Langfaserverbundwerkstoffe oder Schäume sind andere ASTM-Normen relevanter.
- Die Prüfgeschwindigkeit beeinflusst die gemessenen Werkstoffeigenschaften direkt, da Kunststoffe viskoelastisches Verhalten zeigen.
- Eine präzise Dehnungsmessung durch die Auswahl des passenden Extensometers ist entscheidend für eine zuverlässige Modulbestimmung.
- Konditionierung unter Umgebungsbedingungen kann die Ergebnisse bei feuchteempfindlichen Polymeren erheblich beeinflussen.
- Automatisierte Messung des Probenquerschnitts und Prüfabläufe verbessern die Reproduzierbarkeit der Prüfergebnisse und reduzieren den Bedienereinfluss.
- ZwickRoell bietet komplette Prüflösungen für ASTM D638 einschließlich Prüfmaschinen, Probenhalter, Extensometer, Software und Automatisierung.
ASTM D638 in der Praxis: Häufige Fehlerquellen und Einfluss auf die Prüfergebnisse
Auch wenn die Prüfung formal nach ASTM D638 durchgeführt wird, können Ergebnisse zwischen Laboren, Bedienern oder Prüfsystemen deutlich voneinander abweichen. Entscheidend ist deshalb nicht nur die Normkonformität des Prüfablaufs, sondern die kontrollierte Umsetzung jedes einzelnen Prüfschritts:
- Probenvorbereitung und Probenqualität: Die Qualität der Prüfung beginnt mit der Probenvorbereitung. Mögliche Ursachen für Abweichungen sind uneinheitliche Formgebungsbedingungen, Einflüsse der Angussposition, innere Eigenspannungen, Beschädigungen durch mechanische Bearbeitung, Kerben oder Oberflächenfehler sowie Dickenabweichungen.
- Wahl des richtigen Probekörper-Typs: ASTM D638 definiert unterschiedliche Probekörper-Typen. Wird ein ungeeigneter Typ verwendet, kann der Bruch nicht im engen parallelen Bereich auftreten oder die Dehnungsmessung wird unzuverlässig. Besonders bei kleinen Bauteilen, weichen Polymeren oder dickeren Tafeln ist die Auswahl des Probekörpers entscheidend.
- Querschnittsmessung: Alle spannungsbezogenen Werte werden anhand der ursprünglichen Querschnittsfläche des Probekörpers berechnet. Kleine Fehler bei der Messung von Dicke oder Breite wirken sich direkt auf alle spannungsbezogenen Ergebnisse aus, einschließlich Zugfestigkeit, Modul, Streckgrenze und Spannungs-Dehnungs-Kurven. Bereits ein Dickenmessfehler von 0,1 mm kann einen Fehler von 2,5 % verursachen. Automatisierte oder direkt angebundene Messmittel reduzieren Eingabefehler und verbessern die Rückverfolgbarkeit der Messdaten.
- Prüfgeschwindigkeit: Anders als die meisten Metalle reagieren Kunststoffe aufgrund ihres viskoelastischen Verhaltens sehr empfindlich auf die Dehngeschwindigkeit. Unterschiedliche Prüfgeschwindigkeiten können Zugmodul, Streckspannung, Zugfestigkeit und Bruchdehnung beeinflussen. Daher legt ASTM D638 je nach Material- und Dehnungseigenschaften unterschiedliche Traversen-Geschwindigkeiten fest, die konsistent eingestellt, dokumentiert und normgerecht umgesetzt werden müssen.
- Auswahl des Extensometers: Die Dehnungsmessung ist einer der kritischsten Aspekte bei Prüfungen nach ASTM D638. Eine ungeeignete Auswahl des Extensometers kann die Genauigkeit des Moduls, die Streckdehnung und die Dehnungsmessung erheblich beeinflussen. Besondere Herausforderungen entstehen bei der Prüfung weicher Polymere, schlagzäh modifizierter Werkstoffe, steifer Werkstoffe und dünner Probekörper. Die Auswahl der geeigneten Technologie zur Dehnungsmessung ist häufig die wichtigste Einzelentscheidung beim Prüfaufbau nach ASTM D638.
- Auswahl der Probenhalter und Probenausrichtung: Falsches Spannen kann zu Schlupf, vorzeitigen Brüchen im Einspannbereich, Biegespannungen, Ausrichtungsfehlern und falschen Prüfgeschwindigkeiten durch Bewegungen der Probenhalter führen (Keile etc.). Die Auswahl des richtigen Spannsystems stellt sicher, dass die Kräfte gleichmäßig in den Probekörper eingeleitet werden und der Bruch innerhalb der Messlänge erfolgt.
- Konditionierung unter definierten Umgebungsbedingungen: Viele Polymere werden stark durch Temperatur und Luftfeuchte beeinflusst. Beispiele sind Polyamide, PET, PBT, TPU und biobasierte Polymere. Eine ungeeignete Konditionierung kann zu erheblichen Abweichungen bei Steifigkeit, Festigkeit und Dehnung führen.
- Bedienereinfluss im Prüfablauf: Manuelle Prozesse erhöhen die Streuung bei Probenmessung, Ansetzen des Extensometers, Prüfaufbau, Datenauswertung und sogar bei der Übertragung von Daten. Standardisierte Abläufe und insbesondere Automatisierung verbessern die Zuverlässigkeit der Prüfergebnisse.
Für reproduzierbare Ergebnisse müssen Probekörper, Messmittel, Prüfmaschine, Probenhalter, Extensometer, Software und Prüfbedingungen aufeinander abgestimmt sein. Genau hier setzen die Prüflösungen von ZwickRoell an.
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Ihr lokaler ZwickRoell-Experte unterstützt Sie bei der Auswahl der Prüfmittel – abgestimmt auf Werkstoff, Normanforderung und Prüfaufkommen.
Durchführung des Zugversuchs nach ASTM D638 mit ZwickRoell
Kritische Prüfschritte und empfohlene ZwickRoell Lösungen:
Probenvermessung Lastrahmen & Kraftaufnehmer Probenhalter Prüfgeschwindigkeit Extensometer Konditionierungs- & Umgebungsbedingungen Automatisierungsoptionen
So läuft die Prüfung nach ASTM D638 ab:
Beim Zugversuch nach ASTM D638 wird ein genormter Kunststoff-Probekörper einachsig bis zum Streckpunkt, bis zu einer definierten Dehnung oder bis zum Bruch belastet.
- Vor der Prüfung werden Probekörper-Typ, Breite und Dicke bestimmt, da alle spannungsbezogenen Kennwerte auf dem Anfangsquerschnitt beruhen.
- Anschließend wird die Probe in geeignete Probenhalter eingespannt und zentrisch ausgerichtet.
- Während der Prüfung erfassen Prüfmaschine und Extensometer Kraft, Traversenweg und Probendehnung. Aus der Spannungs-Dehnungs-Kurve werden Kennwerte wie Zugspannung, Zugmodul, Streckspannung, Streckdehnung, Zugfestigkeit, Bruchdehnung und optional die Poissonsche Zahl berechnet.
- Je nach Werkstoff und Ziel der Prüfung sind unterschiedliche Prüfgeschwindigkeiten, Konditionierungsbedingungen und Dehnungsmessverfahren relevant.
- Mit testXpert lassen sich Prüfparameter, Geschwindigkeitswechsel, Messdaten und Auswertung standardisiert steuern und dokumentieren.
Probenvermessung: Kleine Messfehler wirken direkt auf die Kennwerte
Eine genaue Maßbestimmung ist die Grundlage zuverlässiger Zugversuche. Ein Dickenmessfehler von 0,1 mm erzeugt einen Fehler von 2.5 %!
Automatisierte Messsysteme, wie das CMU 30 Querschnittsmessgerät von ZwickRoell, reduzieren durch die direkte Datenübertragung an testXpert Übertratungsfehler durch den Bediener, beschleunigen die Abläufe, verbessern die Rückverfolgbarkeit und sorgen dafür, dass alle Prüfungen mit konsistenten Eingabewerten durchgeführt werden.
Auswahl von Lastrahmen und Kraftaufnehmer
Bei der Auswahl einer Prüfmaschine geht es um mehr als die Wahl der maximalen Prüfkraft. Das optimale System hängt von Werkstofftyp, erwartetem Kraftbereich, Probekörpergeometrie, gewünschtem Automatisierungsgrad und Extensometer-Konfiguration ab.
Die modularen Universalprüfmaschinen von ZwickRoell ermöglichen ein breites Spektrum an Kunststoffanwendungen auf einer gemeinsamen Plattform.
Entscheidend ist jedoch nicht nur die maximale Prüfkraft, sondern auch die Genauigkeit im unteren Kraftbereich. ASTM D638 fordert eine Messgenauigkeit von ±1 % bezogen auf den jeweiligen Messwert. ZwickRoell-Prüfmaschinen können diese Genauigkeit bereits ab 1/1000 des Messbereichs erreichen. Dadurch lassen sich Modulwerte und Zugspannungen vieler Werkstoffe mit demselben Prüfaufbau präzise messen – ohne häufigen Umbau des Kraftaufnehmers.
Auswahl der Probenhalter
Unterschiedliche Werkstoffe und Prüfaufkommen erfordern unterschiedliche Spannmethoden. Beispiele sind pneumatische Probenhalter, Schraub-Probenhalter und Keil-Probenhalter. Ziel ist immer ein zuverlässiges Spannen, ohne den Probekörper zu beschädigen:
- Pneumatische Probenhalter: Pneumatische Probenhalter schließen auf Knopfdruck und ermöglichen eine exakt einstellbare Spannkraft. Sie decken einen sehr breiten Einsatzbereich ab und eignen sich für weiche und harte Polymere, unterstützen eine direkte Übertragung der Traversengeschwindigkeit in den Probekörper und sind besonders sinnvoll, wenn hohe Reproduzierbarkeit, viele Prüfungen pro Tag oder automatische Probenzuführung gefordert sind.
- Schraub-Probenhalter: Schraub-Probenhalter schließen manuell über eine Schraubbewegung. Sie eignen sich für halbsteife bis steife Kunststoffe und Prüfungen mit hohen Anforderungen an die Reproduzierbarkeit, wenn der manuelle Bedienanteil akzeptabel ist.
- Keil-Probenhalter: Keil-Probenhalter schließen manuell über eine Hebelbewegung und sind für häufige Prüfungen geeignet. Da die Spannkraft während des Zugversuchs über die Keilwirkung aufgebaut wird, kann sich die Dehnrate am Probekörper verändern. Das sollte bei Ergebnisvergleich und Reproduzierbarkeitsanforderungen berücksichtigt werden. Sie eignen sich daher besonders für interne QS-Aufgaben mit geringen Anforderungen an die Reproduzierbarkeit mit Messwerten anderer Labore.
- Körper über Keil Probenhalter: Körper-über-Keil-Probenhalter sind als manuelle oder pneumatische Variante verfügbar und eignen sich besonders für Zugvesuche an steifen bis hochfesten Kunststoffen, bei denen ein sicherer Probensitz und eine stabile Krafteinleitung wichtig sind. Die manuelle Ausführung ist eine preiswerte, robuste und einfache Lösung für Routineprüfungen. Die pneumatische Variante bietet Vorteile bei häufigen Prüfungen oder höherem Probendurchsatz, da sie den Bedienereinfluss reduziert und eine gleichmäßigere Spannkraft ermöglicht.
Warum die Prüfgeschwindigkeit bei ASTM D638 wichtig ist
Die mechanische Reaktion von Kunststoffen hängt stark von der Dehngeschwindigkeit ab. Mit steigender Prüfgeschwindigkeit nimmt die Steifigkeit (Modul) häufig zu, die Festigkeit häufig zu, die Dehnung kann abnehmen. ASTM D638 legt je nach Materialverhalten und erwarteter Dehnung unterschiedliche Prüfgeschwindigkeiten fest. Für belastbare Vergleiche müssen Prüfgeschwindigkeit und Geschwindigkeitswechsel konsistent umgesetzt und dokumentiert werden.
Mit testXpert werden Prüfgeschwindigkeiten und Geschwindigkeitswechsel in der Prüfvorschrift hinterlegt, automatisch gesteuert und dokumentiert. Das reduziert Bedienfehler und stellt sicher, dass Prüfungen nach denselben Parametern normkonform durchgeführt werden.
Auswahl des Extensometers
Ein ungeeignetes Extensometer kann Modulwerte, Streckdehnung und Bruchdehnung verfälschen. Das Risiko steigt bei weichen Polymeren, sehr dünnen Proben, großen Dehnungen oder Proben, die empfindlich auf Kontaktkräfte reagieren. Das Extensometer ist damit häufig die wichtigste Komponente in einem Prüfaufbau nach ASTM D638.
- Manueller Ansetz-Aufnehmer / Clip-on Extensometer Zu den Vorteilen zählen Kosteneffizienz, hohe Genauigkeit und die Eignung für viele steife Kunststoffe. Zu den Einschränkungen zählen das manuelle Ansetzen und ein möglicher Einfluss auf weiche Werkstoffe.
- Fühleraufnehmer: Fühlerarm-Extensometer wie makroXtens bieten Vorteile wie den vollautomatischen Betrieb und die Möglichkeit, bis zum Probenbruch am Probekörper angesetzt zu bleiben. Es besteht die Möglichkeit zur Integration einer Querdehnungsmessung und der Verwendung von Temperierkammern. Werden sehr unterschiedliche Werkstoffe geprüft, z.B. spröde Kunststoffe und Elastomere mit sehr großen Probendehnungen kann alternativ der multiXtens eingesetzt werden.
- Optischer Extensometer videoXtens ist für viele Anwendungen nach ASTM D638 die bevorzugte Lösung. Zu den Vorteilen zählen berührungslose Messung und damit kein Einfluss auf den Probekörper, keine erforderliche Probenmarkierung, hohe Genauigkeit bei der Modulbestimmung und Eignung für große Dehnungen, ideale Voraussetzungen für die Automatisierung sowie die Option für 2D DIC.
ASTM D638 Zugversuch bei niedrigen oder erhöhten Temperaturen
Der Standard ist die Messung der Probekörper in einem Konditionierungszustand entsprechend Verfahren A nach ASTM D618. Die ASTM D638 erlaubt aber abweichende Konditionierungs- und Messbedingungen, so dass auch Prüfungen bei niedrigen oder erhöhten Temperaturen nach den Vorgaben dieser Norm durchgeführt werden dürfen.
Mit der ZwickRoell Temperierkammer steht ein Temperaturbereich von -80°C bis +360°C zur Verfügung. Das voll integrierte System sorgt für eine effiziente, zuverlässige und einfache Bedienung. Mit der Tür-in-Tür Lösung wird der Stickstoffverbrauch und die Vereisung bei Prüfungen in Kälte deutlich reduziert, so dass die Prüfungen kostengünstiger durchgeführt werden können.
Automatisierungsoptionen für ASTM D638
Für Zugversuche nach ASTM D638 kann sich eine automatisierte Lösung bereits ab 10 Proben pro Tag als lohnenswert erweisen. Unser roboTest ALEX Prüfhelfer übernimmt einfache Pick-and-Place-Aufgaben und bietet kosteneffiziente Unterstützung im Prüflabor.
Für Labore mit hohen Prüfanforderungen empfehlen wir unser robotisches Prüfsystem roboTest L. Unser Arbeitspferd für die Kunststoffprüfung in großen Stückzahlen kann 450 Proben aufnehmen. Es führt die Probenquerschnittsmessung und Zugversuche nach ASTM D638 selbstständig durch. Nach der Prüfung entfernen separate Entsorgungs-Greifer die Probenreste aus den Probenhaltern.
Aber auch andere Probenformen oder andere Prüfverfahren sind für unsere automatisierten Prüfsysteme kein Problem. Die automatisierten Prüfsysteme roboTest N und roboTest R sind komplexer und ermöglichen den Anschluss einer zweiten oder dritten Prüfmaschine sowie zusätzlicher Geräte wie einer Zentrierstation oder einer Temperierkammer im Bereich von -80 °C bis +360 °C. Dies erhöht nicht nur den Probendurchsatz, sondern bietet Ihnen auch die Möglichkeit, verschiedene Prüfungen parallel durchzuführen – für schnelle und zuverlässige Prüfergebnisse.
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ASTM D638 mit Prüfsoftware testXpert sicher und effizient prüfen
Die Prüfsoftware testXpert unterstützt Labore dabei, ASTM D638-Prüfungen standardisiert, nachvollziehbar und mit reduziertem Bedienereinfluss durchzuführen:
- Hinterlegte Standard-Prüfvorschrift: Kennwerte und Parameter der ASTM D638 sind in der Standard-Prüfvorschrift hinterlegt. Das erleichtert die normorientierte Durchführung und reduziert den Aufwand für manuelle Parametrierung.
- Schritt-für-Schritt-Führung: Anwender werden durch den Prüfablauf geführt. Das unterstützt ein schnelles Onboarding und reduziert das Risiko, einzelne Prüfschritte zu vergessen.
- Benutzerverwaltung: Über die Benutzerverwaltung sehen Anwender nur die für sie relevanten Aufgaben und Funktionen. So lassen sich Bedienkonzepte standardisieren und Zugriffsrechte klar steuern.
- Anbindung von Peripheriegeräten: Probendimensionen können von Messgeräten direkt an testXpert übertragen werden. Das spart Zeit und verhindert Eingabefehler.
- Dokumentation von Prüfparametern: Prüfgeschwindigkeiten, Messdaten, Ergebnisse und Prüfbedingungen werden nachvollziehbar dokumentiert.
- Vergleichbarkeit über Prüfverfahren hinweg: Prüfdaten aus Zug-, Biege-, Schlag- oder Fließprüfungen können zentral verwaltet und ausgewertet werden, sofern die entsprechenden Anwendungen im Labor eingesetzt werden.
- Trendanalysen und Qualitätsüberwachung: Auswertungen und Trendanalysen unterstützen die frühzeitige Erkennung von Abweichungen in Qualitätssicherung und Serienprüfung.
Typische Einsatzbereiche der ASTM D638
ASTM D638 wird überall dort eingesetzt, wo die Zugeigenschaften von Kunststoffen zuverlässig bestimmt, verglichen oder dokumentiert werden müssen:
- Werkstoffentwicklung und Compound-Vergleich: Unterschiedliche Polymere, Füllstoffe, Additive oder Rezepturen lassen sich anhand von Zugmodul, Streckspannung, Zugfestigkeit und Bruchdehnung vergleichen.
- Qualitätssicherung in der Serienfertigung: ASTM D638-Prüfungen helfen, gleichbleibende mechanische Eigenschaften zu überwachen und Abweichungen zwischen Chargen, Rohstoffen oder Verarbeitungsbedingungen frühzeitig zu erkennen.
- Wareneingangskontrolle: Angelieferte Granulate, Halbzeuge oder Formmassen können hinsichtlich ihrer mechanischen Kennwerte überprüft werden.
- Bauteilnahe Prüfung entnommener Probekörper: Probekörper können aus Bauteilen oder Formteilen entnommen werden, um die tatsächlichen Materialeigenschaften im Bauteilkontext zu bewerten.
- Prüfung kleiner Materialmengen: Wenn nur wenig Material verfügbar ist, etwa bei Prototypen, additiv gefertigten Teilen oder Schadensanalysen, können kleinere Probekörper wie Typ V relevant sein.
- Alterungs- und Bewitterungsprüfungen: ASTM D638 eignet sich, um Veränderungen mechanischer Kennwerte nach Alterung, Wärme- oder Medienlagerung sowie nach Bewitterung zu bewerten.
- Materialfreigabe und Spezifikationsprüfung: Die ermittelten Kennwerte dienen als Grundlage für Materialfreigaben, Liefervereinbarungen und technische Spezifikationen.
- Globale Vergleichsprüfungen: Unternehmen mit internationalen Lieferketten benötigen häufig Prüfmöglichkeiten nach ASTM D638 und ISO 527, um unterschiedliche Kundenspezifikationen abzudecken.
Unser Experte
Häufig gestellte Fragen zur ASTM D638
ASTM D638 wird zur Bestimmung der Zugeigenschaften von verstärkten und unverstärkten Kunststoffen verwendet. Die Norm wird häufig auf spritzgegossene, formgepresste, extrudierte und spanend bearbeitete Probekörper aus Thermoplasten und härtbaren Formmassen angewendet.
Typische Werkstoffe sind:
- Polypropylen (PP)
- Polyethylen (PE)
- Polycarbonat (PC)
- ABS
- Polyamid (PA / Nylon)
- PBT
- PET
- PVC
- PEEK
- PPS
- Kurzfaserverstärkte Kunststoffe
- Härtbare Formmassen
ASTM D638 ist im Allgemeinen auf Werkstoffe mit Probekörperdicken von etwa 1 mm bis 14 mm anwendbar. Dünne Folien und Tafeln unter 1 mm werden typischerweise nach ASTM D882 geprüft, während kontinuierlich faserverstärkte Verbundwerkstoffe üblicherweise nach ASTM D3039 geprüft werden.
Die für die Prüfungen nach ASTM D638 verwendeten Proben werden nach Typen klassifiziert:
- ASTM D638 Typ I - Bevorzugt wird als Probeköper der Schulterstab Typ I verwendet, der mit einer Dicke von 3,2 mm (1/8 inch) und einer Messlänge von 50 mm (2 inch) noch relativ nahe an üblichen Materialstärken in Bauteilen liegt und gleichzeitig eine gute Genauigkeit der Dehnungsmessung ermöglicht.
- ASTM D638 Typ II - Sofern mit dem Probekörper Typ I kein Bruch im engen parallelen Teil des Probekörpers zu erzeugen ist, empfiehlt die ASTM D638 den Probekörper Typ II, bei dem die Breite des engen parallelen Abschnitts deutlich verkleinert ist.
- ASTM D638 Typ III - Wenn Probekörper aus Materialstärken von mehr als 7 mm durch mechanische Bearbeitung gewonnen werden, dann kommt der Probekörper Typ III zur Anwendung. Hier ist sowohl die Breite des engen parallelen Abschnitts, als auch die Schulterbreite und die Gesamtlänge vergrößert, so dass die Probendicke geringer als die Breite bleibt. Bei Tafelstärken über 14 mm wird die Dicke durch mechanische Bearbeitung angepasst.
- ASTM D638 Typ IV - Der Probekörper Typ IV eignet sich besonders zur Prüfung von sehr weichen Polymeren (z.B. Gummi) und wird eingesetzt, wenn ein Vergleich zwischen weichen und steiferen Polymeren beabsichtigt ist.
- ASTM D638 Typ V - Wenn nur wenig Material zur Verfügung steht, oder wenn die Entnahme aus einem Bauteil keinen größeren Probekörper ermöglicht, dann kommt der Probekörper Typ V zum Einsatz, der in allen Dimensionen gegenüber Typ I verkleinert ist.
Typ-V-Probekörper sind nach ASTM D638 für Anwendungen vorgesehen, bei denen nur eine begrenzte Materialmenge verfügbar ist oder wenn größere Probekörper nicht aus dem zu bewertenden Bauteil entnommen werden können.
- Typische Anwendungen sind:
- Materialentwicklungsprojekte
- Prototypenbauteile
- Probekörper aus der additiven Fertigung
- Kleine Formteile
- Schadensanalysen
- Spanend bearbeitete Probekörper aus fertigen Bauteilen
Da Typ-V-Probekörper einen deutlich kleineren Querschnitt und eine kürzere Messlänge als der Standard-Probekörper Typ I haben, sollte besonders auf Probenausrichtung, Spannen und Dehnungsmessung geachtet werden, um genaue und wiederholbare Ergebnisse sicherzustellen.
L0 Messlänge
L Einspannlänge
l1 Länge des engen parallelen Teils/Innendurchmesser
l2 Abstand zwischen den breiten, parallelen Teilen
l3 Gesamtlänge / Außendurchmesser
b2 Probenbreite im Schulterbereich
b1 Probenbreite im Messlängenbereich
h Probendicke
| Norm | Probekörper-Typ | Bemerkung | l3 mm | l1 mm | b2 mm | b1 mm | h mm | L0 mm | L mm |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| ASTM D638 | Typ I | Vorzugsprobekörper für steife Kunststoffe | ≥165 | 57±0,5 | 19+6,4 | 13±0,5 | 3,2±0,4 | 50±0,25 | 115±5 |
| ASTM D638 | Typ II | bevorzugt, wenn Typ1 nicht im engen Querschnitt bricht | ≥183 | 57±0,5 | 19+6,4 | 6±0,5 | 3,2±0,4 | 50±0,25 | 135±5 |
| ASTM D638 | Typ III | für Prüfkörperdicke größer 7mm (steife und weiche Kunststoffe) | ≥246 | 57±0,5 | 29+6,4 | 19±0,5 | 7...14 | 50±0,25 | 115±5 |
| ASTM D638 | Typ IV | für Vergleiche von steifen und weichen Kunststoffen | ≥115 | 33±0,5 | 19+6,4 | 6±0,05 | 3,2±0,4 | 25±0,13 | 65±5 |
| ASTM D638 | Typ V | kleine Probekörper aus Bauteilen | ≥63,5 | 9,53 | 9,53+3,1 | 3,18±0,5 | 3,2±0,4 | 7,62 | 25,4±5 |
Eine ordnungsgemäße Probenkonditionierung ist entscheidend, um konsistente und vergleichbare ASTM D638-Ergebnisse zu erhalten. Viele Polymere reagieren empfindlich auf Feuchtegehalt und Temperatur. Unterschiede in der Konditionierung können folgende Kennwerte erheblich beeinflussen:
- Zugmodul
- Streckspannung
- Zugfestigkeit
- Bruchdehnung
Dies ist besonders wichtig für hygroskopische Werkstoffe wie Polyamid (PA), PET, PBT und viele biobasierte Polymere.
ASTM D638 verweist auf Standard-Laborbedingungen für die Konditionierung und empfiehlt, Probekörper vor der Prüfung zu konditionieren, wenn dies durch die Werkstoffspezifikation gefordert ist. Für aussagekräftige Vergleiche zwischen Laboren sollten immer identische Konditionierungsverfahren verwendet werden.
Für viele Routineanwendungen nach ASTM D638 bietet ein Ansetzaufnehmer eine ausreichende Genauigkeit und bleibt eine weit verbreitete Lösung.
Ansetzaufnehmer eignen sich besonders für:
- Anwendungen in der Qualitätskontrolle
- Steife Thermoplaste
- Werkstoffe mit moderater Dehnung
- Standardmessungen von Zugfestigkeit und Modul
Ansetzaufnehmer erfordern jedoch ein manuelles Ansetzen und können manchmal das Verhalten sehr weicher, dünner oder stark dehnbarer Probekörper beeinflussen. Für Labore, die maximale Reproduzierbarkeit, hohen Durchsatz oder die Prüfung anspruchsvoller Werkstoffe benötigen, bietet die Dehnungsmessung mit Fühlerarm- oder optischen Extensometern häufig deutliche Vorteile.
Die erforderliche Prüfmaschinenkapazität hängt vor allem vom Probenquerschnitt und der erwarteten Zugfestigkeit des Werkstoffs ab.
Für die meisten Anwendungen nach ASTM D638 gilt:
- Systeme von 1 kN bis 5 kN eignen sich für Werkstoffe mit geringerer Festigkeit und kleine Probekörper.
- 10-kN-Systeme werden häufig für die Routineprüfung von Kunststoffen eingesetzt.
- Höhere Kapazitäten können für hochverstärkte Werkstoffe oder ungewöhnlich große Querschnitte erforderlich sein.
Der wichtigste Aspekt ist nicht allein die maximale Kraft, sondern die Auswahl einer Prüfmaschine und eines Kraftaufnehmers, die über den erwarteten Kraftbereich hinweg eine ausreichende Messauflösung und Genauigkeit bieten. Ein passend dimensionierter Kraftaufnehmer verbessert die Messqualität, insbesondere bei der Modulbestimmung und bei der Prüfung von Werkstoffen mit geringerer Festigkeit.
ASTM D638 und ISO 527 sind die am häufigsten verwendeten Normen für Zugversuche an Kunststoffen. Während die ASTM D638 eine pragmatische Charakterisierung der Zugeigenschaften darstellt, ist der Leitgedanke der ISO 527 die hohe Vergleichbarkeit von Prüfergebnissen über Labore, Firmen und Ländergrenzen hinweg. Obwohl beide ähnliche mechanische Eigenschaften bestimmen, sind die Prüfverfahren nicht direkt austauschbar.
Die wichtigsten Unterschiede sind:
- Probekörpergeometrien & Messlängen: ASTM D638 Typ I ist der bevorzugte Probeköper für steife Kunststoffe in Form eines Schulterstabs mit einer Gesamtlänge von 165 mm, einer Dicke von 3,2 mm (1/8 inch) und einer Messlänge von 50 mm (2 inch), da dieser noch relativ nahe an üblichen Materialstärken in Bauteilen liegt und gleichzeitig eine gute Genauigkeit der Dehnungsmessung ermöglicht. Die bevorzugte Schulterprobe nach ISO 527-2 ist der Typ 1A (spritzgegossen) mit einer Gesamtlänge von 170 mm, einer Dicke von 4 mm und eine Messlänge von 75 oder 50mm. Während die ASTM fünf Probentypen beschreibt, grenzt die ISO die Probekörper auf 2 Typen ein, um einer hohen Vergleichspräzision nachzukommen.
- Anforderungen an die Dehnungsmessung
- Definitionen der Prüfgeschwindigkeit
- Verfahren zur Bestimmung bestimmter Ergebnisse
ASTM D638 wird überwiegend in Nordamerika verwendet, während ISO 527 international häufiger spezifiziert wird.
Da diese Unterschiede gemessene Werte wie Modul, Streckspannung, Zugfestigkeit und Dehnung beeinflussen können, sollten nach ASTM D638 ermittelte Ergebnisse nicht direkt mit Ergebnissen nach ISO 527 verglichen werden, sofern die methodischen Unterschiede nicht vollständig verstanden und dokumentiert sind.
Für Unternehmen, die Produkte weltweit liefern, ist es üblich, Prüfmöglichkeiten sowohl für ASTM D638 als auch für ISO 527 vorzuhalten.
Langfaserverstärkte Kunststoffe wie CFK werden im Zugversuch nach ASTM D3039 gemessen. Diese Werkstoffe können je nach Richtung und Struktur des Laminats oder Gewebes sehr unterschiedliche Eigenschaften aufweisen. Sie erfordern daher häufig spezielle Probekörper und Prüfverfahren.
Bei spröden Kunststoffen und bei Kunststoffen, die keinen Steckpunkt zeigen, wird die Bruchdehnung direkt messend mit einem mechanischen oder berührungslos messenden Extensometer bestimmt. Bei thermoplastischen Kunststoffen die einen Streckpunkt zeigen, wird die nominelle Bruchdehnung aus dem Verfahrweg der ziehendem Klemme der Prüfmaschine gemessen.
Die Zugfestigkeit ist die höchste Zugspannung, die der Probekörper während eines Zugversuchs erreichen kann. Diese Zugfestigkeit kann an einem Streckpunkt auftreten, dann wird sie „Zugfestigkeit am Streckpunkt“ genannt. Sofern die Zugfestigkeit kurz vor dem Versagen das Probekörpers auftritt, wird sie mit „Zugfestigkeit bei Bruch“ bezeichnet.
Für die Messung der Poissonschen Zahl bei Raumtemperatur bietet die ASTM E132 eine geeignete Prüfmethode an. Bei unverstärkten Kunststoffen kann aber für Berechnungszwecke meist ein fester Wert für die Poissonsche Zahl verwendet werden, da diese weitgehend konstant ist.
Neben den Probenformen beschreibt die ASTM D638 auch die Genauigkeit, mit der die Probendimensionen gemessen werden müssen.
- Die Breite von Kunststoffproben kann mit einem Messschieber, einer Mikrometerschraube oder einem Querschnittsmessgerät bestimmt werden
- Die Dicke von Kunststoffproben wird mit einer Mikrometerschraube oder einem Querschnittsmessgerät gemessen
- Die Messkraft beträgt zwischen 5 und 15 N, die Messflächen sind kreisförmig und flach, üblicherweise mit 6,35 mm (6,5 mm) Durchmesser. Andere Kontaktelemente sind möglich
- Die Messung wird in mittig zum Probekörper und innerhalb der Messlänge durchgeführt. Spritzgegossene Probekörper werden innerhalb 5 mm um die Mitte der Messlänge gemessen
- Ein Dickenmessfehler von 0,1 mm erzeugt einen Fehler von 2.5 %!
Die zu messenden Größen gemäß ASTM D638 sind der Traversenweg, bzw. die Veränderung des Klemmenabstands und die direkt gemessene Probendehnung. Für die Messung des Traversenwegs wird eine Genauigkeit von ± 10% bezogen auf den jeweiligen Messwert in ASTM D638 gefordert. Der Traversenweg wird insbesondere zur Bestimmung der nominellen Bruchdehnung verwendet, so dass die zu messenden Wege üblicherweise relativ groß sind.
Der Zugmodul wird mit direkt messenden Extensometern bestimmt. Der erlaubte Fehler der Dehnungsbestimmung beträgt 0,0002 [mm/mm] festgelegt. Dies entspricht einen Dehnungsfehler von 0,02%, oder - bei einer Messlänge von 50 mm - einem erlaubten Wegfehler von 0,01 mm.
Für die Messung von Streckpunkten und geringen Dehnungen bis etwa 20% fordert die ASTM D638 die Einhaltung der Klasse C nach der Kalibriernorm ASTM E83. Dies bedeutet für Dehnungen bis 10% einen festen, maximal erlaubten Fehlerwert in der Dehnungsbestimmung von 0,001 [mm/mm], entsprechend 0,1% Dehnung. Für die Messung größerer Dehnungen darf der relative Fehler ± 1% des jeweiligen Messwertes nicht überschreiten.
Für die Messung von Dehnungen größer 20% erlaubt die ASTM D638 einen relativen Messfehler von ± 20%, der auch von relativ einfachen Extensometern leicht erreicht werden kann.
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Downloads zur ASTM D638
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- Produktinformation: ProLine, Fmax 5-100 kN PDF 1 MB
- Produktinformation: AllroundLine, Fmax 5-100 kN PDF 1 MB
- Produktinformation: Pneumatik-Probenhalter, Fmax 10 kN / 20 kN PDF 2 MB
- Produktinformation: Schraub-Probenhalter, Fmax 5 kN / 10 kN PDF 485 KB
- Produktinformation: Keil-Probenhalter, Fmax 10 kN / 20 kN PDF 713 KB
- Produktinformation: Keil-Probenhalter „Körper über Keil“, Fmax 10 kN PDF 690 KB
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