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ISO 898-1, ISO 3506-1, ASTM F606: Pr├╝fung von Schrauben

Die Normen ISO 898-1, ISO 3506-1 und ASTM F606 beschreiben die Pr├╝fung von Schrauben aus Stahl und deren mechanische und physikalische Eigenschaften wie beispielsweise Zugfestigkeit, Dehngrenze, Bruchverl├Ąngerung oder H├Ąrte.

  • ISO 898-1 legt die mechanischen Eigenschaften von Verbindungselementen aus Kohlenstoffstahl und legiertem Stahl fest (Schrauben mit festgelegten Festigkeitsklassen - Regelgewinde und Feingewinde)
  • ISO 3506-1 legt die mechanischen Eigenschaften von Verbindungselementen aus korrosionsbest├Ąndigen nichtrostenden St├Ąhlen fest (Schrauben mit festgelegten Stahlsorten und Festigkeitsklassen)
  • ASTM F606: Standard Test Methods for Determining the Mechanical Properties of Externally and Internally Threaded Fasteners, Washers, Direct Tension Indicators, and Rivets

Als eine der wichtigsten Verbindungselemente sind Schrauben nicht nur in der Industrie allgegenw├Ąrtig, sondern auch im Alltag. Sie erm├Âglichen den Bau komplexer Maschinen und Anlagen genauso wie Fahrzeugen und Geb├Ąuden. Da sich mechanische Spannungen an solchen Verbindungsstellen konzentrieren, ist die Integrit├Ąt von Schrauben extrem wichtig. Daher unterliegen Schrauben und Muttern strengen Sicherheitsanforderungen.

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Pr├╝fung von Schrauben nach ISO 898-1

In der folgenden Tabelle steht eine ├ťbersicht der in ISO 898-1 festgelegten mechanischen Pr├╝fverfahren.

Bei den verschiedenen mechanischen Pr├╝fverfahren wird zwischen fertigen und ganzen Schrauben sowie zwischen Schrauben mit voller und reduzierter Belastbarkeit unterschieden.

Fertige Schrauben sind Schrauben, bei denen die Herstellungsprozesse abgeschlossen sind. Sie sind also ÔÇ×fertigÔÇť hergestellte Schrauben.

Ganze Schrauben sind fertige Schrauben, bei denen der Schaftdurchmesser ÔÇ×ganzÔÇť erhalten bleibt. Man spricht auch von Vollschaftschrauben. Diese Bezeichnung schlie├čt D├╝nn- und Dehnschaftschrauben sowie Hohlschrauben aus.

Schrauben mit reduzierter Belastbarkeit sind meist aufgrund ihrer Kopfgeometrie (sogenannte Schwachkopfschrauben) nicht voll belastbar wie Schrauben typischer Geometrie derselben Festigkeitsklasse. Solche Schrauben werden mit einer f├╝hrenden Null gekennzeichnet.

Abschnitt der ISO 898-1 Pr├╝fverfahren Zu bestimmende mechanische Eigenschaften Schrauben bzw. Probentyp
9.1 Schr├Ągzugversuch Zugfestigkeit fertige Schrauben mit Kopf (d.h. keine Stiftschrauben)
9.2 Zugversuch Zugfestigkeit fertige Schrauben
9.3 Dehngrenze, Bruchverl├Ąngerung ganze Schrauben
9.4 Zugfestigkeit Schrauben mit reduzierter Belastbarkeit
9.5 Schrauben mit Dehnschaft
9.6 Pr├╝fkraftversuch Spannung unter Pr├╝fkraft, bleibende Verl├Ąngerung fertige Schrauben
9.7 Zugversuch ZugfestigkeitStreckgrenze/Dehngrenze, Bruchdehnung, Brucheinschn├╝rung abgedrehte Schrauben
9.8 Kopfschlagversuch Kopfz├Ąhigkeit Schrauben mit Kopf
9.9 H├Ąrtepr├╝fung H├Ąrte nach Vickers, Brinell oder Rockwell alle Schrauben, aber insbesondere Schrauben, die zu klein f├╝r den Zugversuch sind
9.10 Entkohlungspr├╝fung Oberfl├Ąchenh├Ąrte (HV 0,3) Schrauben der Festigkeitsklassen 8.8 ÔÇô 12.9
9.11 Aufkohlungspr├╝fung
9.12 Wiederanlassversuch
9.13 Torsionsversuch Bruchdrehmoment alle Schrauben au├čer Dehnschaftschrauben
9.14 Kerbschlagbiegeversuche Kerbschlagarbeit spanend hergestellte Proben aus Schrauben mit Durchmesser Ôëą 16 mm

Festigkeitsklassen Schrauben

Festigkeitsklassen von Schrauben werden mit zwei Zahlen angegeben, die durch einen Punkt getrennt sind. Die Zahl links vom Punkt ist die Zugfestigkeit in MPa dividiert durch 100. Die Zahl rechts vom Punkt gibt das Zehnfache des Streckgrenzen- oder Dehngrenzenverh├Ąltnisses an.

Beispielsweise h├Ątte eine Schraube der Festigkeitsklasse 9.8 folgende Nennwerte:

  • Nennzugfestigkeit: Rm = 9 ├Ś 100 MPa = 900 MPa
  • Streckgrenzenverh├Ąltnis: Re/Rm = 8 ├Ě 10 = 0,8
  • Streckgrenze: Re = 0,8 ├Ś 900 MPa = 720 MPa

Festigkeitsklasse einer Mutter wird durch eine einzige Zahl definiert, die der h├Âchsten Festigkeitsklasse einer Schraube entspricht, mit der die Mutter gepaart werden darf. Eine Mutter der Festigkeitsklasse 9 darf z.B. mit einer Schraube bis zur Festigkeit 9.8 gepaart werden.

├ťbersicht Festigkeitsklassen Schrauben

Werkstoffkennwert 3.6 4.6 4.8 5.6 5.8 6.8 8.8 9.8 10.9 12.9

Streckgrenze Re 
(N/mm┬▓)

180 240 320 300 400 480 640 720 900 1080
Zugfestigkeit Rm
(N/mm┬▓)
330 400 420 500 520 600 830 900 1040 1220

Zugversuch an Schrauben nach ISO 898-1, ISO 3506-1, ASTM F606

Schrauben sind Bauteile, die auf ihre industrielle Anwendung hin sehr genau ausgesucht und pr├Ązise in die Konstruktion eingepasst werden. Dazu ist es auch f├╝r die Sicherheit der Schraubverbindung unumg├Ąnglich, den elastischen Zugmodul und die Grenzen der elastischen Beanspruchung in Zugversuchen genau zu bestimmen. Denn hieraus werden die Grenzkr├Ąfte f├╝r eine sichere Schraubverbindung festgelegt.

Der Zugversuch in all seinen Varianten (Abschnitte 9.1-5 und 9.7) muss nach ISO 6892-1 durchgef├╝hrt werden. Besonderheiten f├╝r den Zugversuch an Schrauben werden in den Normen ISO 898-1, ISO 3506-1 oder ASTM F606 behandelt. Beispielsweise darf die Pr├╝fgeschwindigkeit 25 mm/min nicht ├╝berschreiten. Zus├Ątzlich gilt bei der Bestimmung der Streckgrenze bzw. Dehngrenze eine maximale Pr├╝fgeschwindigkeit von 10 mm/min.

F├╝r ganze Schrauben d├╝rfen die in Abschnitten 9.2 und 9.3 definierten Pr├╝fungen zur Bestimmung der Dehngrenze, Zugfestigkeit und Bruchverl├Ąngerung in einem Zugversuch kombiniert werden.

Pr├╝fequipment f├╝r die Zugpr├╝fung von Schrauben nach ISO 898-1, ISO 3506-1

Entscheidend bei der Dimensionierung einer Pr├╝fmaschine sind Gr├Â├če und Festigkeit der zu pr├╝fenden Schrauben. F├╝r Schrauben ab einem Gewinde M8 empfehlen wir eine Pr├╝fmaschine f├╝r gro├če Pr├╝fkr├Ąfte (ab Fmax 600 kN). Ab einem Gewinde M12 wird eine maximale Kraft von 1200 kN ben├Âtigt, ab Gewinde M18 sogar eine Pr├╝fmaschine mit 2.500 kN Maximalkraft. 

Der Einsatz von geh├Ąrteten Probenaufnahmen erlaubt eine effiziente Pr├╝fung von sowohl fertigen Schrauben als auch abgedrehten Schrauben und Gewindestiften. Die Probe wird mit einer passenden Probenaufnahme in den von vorne frei zug├Ąnglichen Probenhalter eingeschoben und zentriert sich in der Zugachse von selbst. F├╝r den Schr├Ągzugversuch sind schr├Ąge Kopfaufnahmen in Winkelabstufungen von 4┬░,6┬░ und 10┬░ verf├╝gbar.

F├╝r die Bestimmung der Dehngrenzen wird ein Extensometer ben├Âtigt. Bei der Zugpr├╝fung an abgedrehten Schrauben sind alle typischen Extensometer einsetzbar, von ber├╝hrenden Ausf├╝hrungen wie der makroXtens bis hin zum ber├╝hrungslosen Modell videoXtens.

Pr├╝fkraftversuch an Schrauben nach ISO 898-1

Der Pr├╝fkraftversuch (Abschnitt 9.6) ist ein Zugversuch, der nur bis zu reiner vorgesehenen Pr├╝fkraft durchgef├╝hrt wird. Die genaue Pr├╝fkraft h├Ąngt vom Gewinde, Schraubendurchmesser und von der Festigkeitsklasse ab. Diese sind in ISO 898-1 tabellarisch aufgef├╝hrt.

Beim Aufbringen der Pr├╝fkraft darf eine Pr├╝fgeschwindigkeit von 3 mm/min nicht ├╝berschreiten werden. Die Kraft wird 15 Sekunden lang gehalten und der Test ist bestanden, wenn die Schraube nach dem Versuch keine plastische Dehnung innerhalb der zul├Ąssigen Messunsicherheit von ┬▒12,5 ╬╝m aufweist.

H├Ąrtepr├╝fung an Schrauben

Zur Bestimmung der H├Ąrte sind die Verfahren nach Vickers (ISO 6507-1), Brinell (ISO 6506-1) oder Rockwell (ISO 6508-1) zul├Ąssig.

F├╝r die H├Ąrtepr├╝fung nach Vickers gilt eine Mindestlaststufe von HV 10. Die H├Ąrtepr├╝fung nach Brinell wird haupts├Ąchlich mit HBW 1/30 oder HBW 2,5/187,5 durchgef├╝hrt. Bei der H├Ąrtepr├╝fung nach Rockwell wird Skala B (HRB) f├╝r Schrauben der Festigkeitsklassen 4.6 ÔÇô 6.8 und Skala C (HRC) f├╝r die der Festigkeitsklassen 8.8 ÔÇô 12.9 verwendet. Im Schiedsfall muss die Vickers-H├Ąrtepr├╝fung als Referenz angewendet werden.

Die H├Ąrte wird entweder am Querschnitt oder an der Oberfl├Ąche gemessen. Im ersten Fall wird eine Querschnittsprobe aus dem Gewindebereich entnommen. Eindr├╝cke werden in der N├Ąhe der Schraubenachse gemacht und die resultierende H├Ąrte wird auch Kernh├Ąrte genannt. Wenn die H├Ąrte an der Oberfl├Ąche gemessen wird, muss dies an einer ebenen Fl├Ąche (z.B. am Kopf, an der Kuppe oder am gewindefreien Schaft) nach Entfernung aller Beschichtungen erfolgen.

Beim Wiederanlassversuch wird die Vickersh├Ąrte vor und nach einer W├Ąrmebehandlung gemessen. Dabei darf sich die H├Ąrte um nicht mehr als 20 Vickerseinheiten verringern.

Beim Ent- und Aufkohlungsversuch wird die H├Ąrte nach Vickers mit einer Pr├╝fkraft von 2,942 N (HV 0,3) an einem L├Ąngsschliff durch die Gewindeachse gemessen.Es wird in der Gewindezone an drei definierten Stellen mit unterschiedlichem Abstand zur Oberfl├Ąche gepr├╝ft. Zu kleine bzw. zu gro├če Differenzen in den Messwerten deuten auf eine Ent- bzw. Aufkohlung.

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Weitere Pr├╝fungen an Schrauben

Kopfschlagpr├╝fung an Schrauben

Bei der Kopfschlagpr├╝fung wird die Schraube wird schr├Ąg in einen vorgebohrten festen Block eingef├╝hrt. Durch schlagartige Beanspruchung wird der Schraubenkopf um einen definierten Winkel gebogen und darf anschlie├čend keine Anzeichen von Rissen aufweisen. Dieser Versuch wird vorwiegend an Schrauben durchgef├╝hrt, die zu kurz f├╝r den Schr├Ągzugversuch sind.

Der Kerbschlagbiegeversuch findet bei der Schraubenpr├╝fung nur Anwendung, wenn er in einer Produktnorm gefordert wird oder zwischen dem Hersteller und dem Kunden vereinbart wird.

Torsionspr├╝fung an Schrauben

Beim Torsionsversuch wird das Bruchdrehmoment bestimmt. Die Anforderungen und das Verfahren sind in ISO 898-7 (Torsionsversuch und Mindest-Bruchdrehmomente f├╝r Schrauben) beschrieben.

Kerbschlagbiegeversuch an Schrauben

Zweck des Kerbschlagbiegeversuchs ist es, die Belastbarkeit des Schraubenmaterials bei tiefer Temperatur zupr├╝fen. Da eine Charpy V-Kerb-Probe aus der Schraube geschnitten werden muss, muss der Nenndurchmesser mindestens 16 mm betragen. Die Norm ISO 148-1 Kerbschlagbiegeversuch nach Charpy beschreibt das Pr├╝fverfahren.

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