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ASTM E8 | ASTM E8M Standard Prüfmethode für den Zugversuch an metallischen Werkstoffen

Die ASTM E8 / ASTM E8M beschreibt den uniaxialen (einachsigen) Zugversuch an Metallen bei Raumtemperatur und die Ermittlung von charakteristischen Kennwerten wie Dehngrenze, Streckgrenze, Streckgrenzen-Verlängerung, Zugfestigkeit, Bruchdehnung sowie die Brucheinschnürung

Mit den Kennwerten können Aussagen über die Festigkeit und die Zähigkeit des Werkstoffes gemacht werden. 

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Unterschiede zwischen ASTM E8 und ASTM E8M

Genau gesehen beinhaltet diese ASTM zwei Normen, daher muss die ASTM E8 von der ASTM E8M unterschieden werden. Während die ASTM E8 sich auf die Maßeinheiten „inch“ und „pound“ bezieht, werden bei der ASTM E8M SI-Einheiten verwendet. Das führt dazu, dass Kennwerte, die nach dem einen Einheitensystem bestimmt wurden nicht exakt denen gleich sind, die nach dem anderen Einheitensystem ermittelt wurden. In der Praxis ist das jedoch in aller Regel nicht problematisch, weil bei Kennwertermittlung und Kennwertevergleich nicht zwischen den Einheiten gewechselt wird. 

In diesem Zusammenhang ist jedoch wichtig zu beachten, dass sich die Anfangsmesslänge für die Bestimmung der Dehnungen bei der ASTM E8 auf 4D, also auf 4-mal dem Durchmesser der Rundproben bezieht, während er sich bei der ASTM E8M auf 5D, also auf 5-mal dem Durchmesser der Rundproben bezieht. Bei Verwechslungen oder auch Nichtbeachtung kann dies zu Kennwerten führen, die nicht mehr miteinander vergleichbar sind. 

Die ASTM E8 und ASTM E8M gehen ausführlich auf die Prüfmaschine und die Art der Probenhalter ein und geben Hinweise auf den richtigen Einsatz von Probenhaltern. 

ASTM E8 Probekörper und Abmessungen

Für die Probenvorbereitung werden wichtige Hinweise gegeben, die sicherstellen sollen, dass durch die Probenentnahme am Produkt und bei der folgenden Probenfertigung keine Einflüsse auf den Werkstoff einwirken, die die Ergebnisse aus dem Zugversuch beeinträchtigen könnten. 

Die Formen für Zugproben können sehr vielfältig sein. Die ASTM E8 / ASTM E8M führt Standardflachproben für Bleche und Dünnbleche, für Rohrprodukte, für spezielle Probenhalterungen sowie Standardrundproben für andere Metallprodukte auf und spezifiziert die entsprechenden Anfangsmesslängen, auf die sich alle Dehnungswerte beziehen. Bis auf wenige Ausnahmen werden alle Vermaßungen, die für eine Probenfertigung benötigt werden, festgelegt oder aber Mindestmaße angegeben. 

Sowohl die Probenform als auch die Probenherstellung sind in der Prüfnorm ASTM E8 definiert. Die Proben müssen so hergestellt werden, dass die Materialeigenschaften nicht beeinflusst werden. Alle Bereiche, die bei der Probenherstellung durch Schneiden oder Stanzen kaltverfestigt worden sind, müssen - wenn sie die Eigenschaften beeinflussen – entsprechend bearbeitet werden.

Erzeugnisse mit gleichbleibendem Querschnitt (Profile, Stäbe, Drähte, etc.) sowie gegossene Probestücke (z. B. Gusseisen, Nichteisen-Legierungen) dürfen ohne Bearbeitung geprüft werden. Bevorzugte Probenformen gemäß ASTM E8 sind Flachproben (Schulterproben) und Rundproben.

ASTM E8: Wie man den Zugversuch durchführt

Zugversuch an metallischen Werkstoffen nach den Norm ASTM E8 und ISO 6892-1 mit Materialprüfmaschine AllroundLine und makroXtens Extensometer.

ASTM E8 Prüfgeschwindigkeiten und Regelungsmethoden

Ein besonderes Augenmerk wird auf die Prüfgeschwindigkeit gelegt. Die ASTM E8 und ASTM E8M lassen fünf verschiedene Arten der Festlegung von Prüfgeschwindigkeiten zu. Sie sind benannt als

  • (a) Dehnungsrate oder Dehngeschwindigkeit an der Probe,
  • (b) Spannungsrate oder Spannungszunahme an der Probe,
  • (c) Querhaupt- oder Traversengeschwindigkeit,
  • (d) verstrichene Zeit bis zum Ende eines Prüfabschnitts oder der gesamten Prüfung und
  • (e) freilaufende Querhaupt- oder Traversengeschwindigkeit, d.h. die Geschwindigkeitsangabe ohne eine Belastung von Querhaupt oder Traverse. 

Für die Bestimmung der sogenannten „Yield Properties“, das sind Streckgrenze, Streckgrenzen-Verlängerung und Dehngrenzen, allgemein alle Kennwerte, die in Bezug zur Änderung des Materialverhaltens von elastisch zu plastisch stehen, ist es wichtig, eine geeignete Regelung der Prüfgeschwindigkeit festzulegen. Denn bei metallischen Werkstoffen können diese Kennwerte deutlich von der tatsächlichen Prüfgeschwindigkeit abhängen, daher müssen die Prüfgeschwindigkeiten in vorgegeben Toleranzen gehalten werden. Die ASTM E8 und ASTM E8M tragen dem Rechnung mit drei verschiedenen Regelungsmethoden. Sie sind mit Methode A, B und C bezeichnet.

Alle Zahlenangaben für die im folgenden beschriebenen drei Methoden sind anzuwenden, wenn nicht Produktnormen oder Normen für spezielle Anwendungen andere Zahlenwerte vorgeben. 

Wenn die Bestimmung der Streckgrenze und Dehngrenzen abgeschlossen ist (oder auch gar nicht bestimmt werden sollen) und eine Dehnung der Probe von mehr als 5 % erwartet wird, kann die Prüfgeschwindigkeit auf 0,05 bis 0,5 in./in./min (oder mm/mm/min*)) heraufgesetzt werden. Diese Angabe bezieht sich entweder auf die Anfangsmesslänge des noch messenden Extensometers oder aber auf die anfängliche parallele Länge der Probe. Die Prüfgeschwindigkeit ist also als eine Dehnrate oder Dehngeschwindigkeit angegeben. Bei dieser Prüfgeschwindigkeit werden dann alle anderen Kennwerte des Zugversuches nach ASTM E8 / ASTM E8M bestimmt. 

Vergleich der Regelungsmethoden für die Prüfgeschwindigkeit nach ASTM E8

Prüfgeschwindigkeiten / Regelungsmethoden lt. ASTM E8

Regelverfahren B:

  • Dehngeschwindigkeitsregelung geschlossener Regelkreis “closed loop”

Empfohlenes Verfahren

Regelverfahren C:

  • Traversengeschwindigkeit

Regelverfahren A:

  • Spannungsgeschwindigkeit
  • Extensometer erforderlich
  • Extensometer erforderlich
  • Kein Extensometer erforderlich
  • Keine Vorprüfung und Einstellung erforderlich (adaptiver Controller)
  • Vorprüfung und Einstellung erforderlich (Bestimmung der Steifigkeit von Prüfsystem und Probe)
  • Vorprüfung und Einstellung erforderlich (Bestimmung der Steifigkeit von Prüfsystem und Probe)

 

 

 

 

Methode A: Spannungsgeschwindigkeit

Methode A basiert auf der Zunahme der Zugspannung während der Belastung.

  • Im linear elastischem Teil des Zugversuches, also ganz zu Beginn des Versuches, muss eine Spannungszunahme im Bereich von 1,15 und 11,5 MPa/sec erreicht werden (das entspricht 10000 und 100000 psi/min).
  • Es wird in der ASTM E8 bzw. ASTM E8M aber deutlich darauf hingewiesen, dass diese Vorgaben und die Methode nicht bedeuten, dass die Spannungszunahme bis zum plastischen Verhalten konstant gehalten werden soll oder die Regelung der Kraftzunahme im geschlossenen Regelkreis über den linear elastischen Bereich hinaus angewandt werden darf. 

Methode C: Traversengeschwindigkeit

Methode C basiert auf der konstanten Querhaupt- oder Traversengeschwindigkeit

  • Die Traversengeschwindigkeit muss dabei so eingestellt und konstant gehalten werden, dass die anfängliche parallele Länge der Probe eine Dehnung von 0,015 ± 0,003 in./in./min oder mm/mm/min erfährt.
  • Diese Methode C wird empfohlen, wenn sich der Werkstoff nicht kontinuierlich verformt. 

Methode B: Dehnratenregelung / Dehngeschwindigkeitsregelung "closed loop"

Methode B basiert auf der Regelung der Dehngeschwindigkeit oder Dehnrate (Dehnratenregelung) während der Belastung.

  • Die Prüfmaschine hält die Dehnrate oder Dehngeschwindigkeit im geschlossenen Regelkreis „closed loop“ konstant, indem ein Extensometer kontinuierlich Dehnungswerte liefert, die zur Berechnung der präzisen Dehngeschwindigkeit herangezogen werden.
  • Die Dehnrate ist durch die Norm auf 0,015 ± 0,006 in./in./min oder mm/mm/min festgelegt, das entspricht einer Toleranz von 40% für die Einstellung der Dehngeschwindigkeit. 

In der Prüfsoftware testXpert ist die Dehngeschwindigkeit jederzeit nachvollziehbar.

  • Die rote Linie (1) zeigt das Toleranzband der ASTM E 8 (40% der eingestellten Geschwindigkeit).
  • Die grüne, gestrichelte Linie bezeichnet das engere Toleranzband von 5%, das bei ZwickRoell Prüfsystemen der Maßstab ist, um auch bei unvorhergesehenen Ereignissen auf der sicheren Seite zu sein. Eine gute Regelung der Dehnrate ist gekennzeichnet durch (2) geringe Einlaufschwankungen und (3) eine stabile Geschwindigkeitsregelung. Voraussetzung dafür ist ein adaptiver Regler.

Warum die Dehnratenregelung „closed loop“ empfohlen wird

Mit der Dehnratenregelung wird die Ergebnissicherheit erhöht und vergleichbare Prüfergebnisse erzielt. Denn die Kennwerte von metallischen Werkstoffen hängen stark von der Dehnrate oder Dehngeschwindigkeit ab. Je höher die Dehnrate desto höher sind in der Regel die Festigkeitswerte. Auch Legierungen und andere Produktmerkmale beeinflussen die Abhängigkeit von der Dehnrate. 

Spezielle Vorteile bietet die Dehnratenregelung im geschlossenen Regelkreis „closed loop“, für die ein adaptiver Regler genutzt wird, um automatisch die korrekte Dehngeschwindigkeit zu halten:

  • Zeitersparnis: Das System stellt automatisch die korrekte Dehnrate ein, ganz ohne Zutun des Benutzers.
  • Einfach sicher: Dadurch werden auch Einstellfehler eliminiert.
  • Präzision: Ein adaptiver Regler verhindert Überschwingungen der Dehnrate, hält sie konstant und deutlich innerhalb der Toleranz, damit die Dehnrate auch bei unvorhergesehenen Ereignissen innerhalb der Toleranzgrenzen bleibt.

Dieses Verfahren setzt ein regelungstechnisch abgestimmtes Prüfsystem voraus, vereinfacht jedoch ganz erheblich den Testbetrieb.

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Weitere Normen für die Prüfung von Metallen

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Häufig gestellte Fragen zur ASTM E8

Die ASTM E8/ASTM E8M beschreibt den uniaxialen (einachsigen) Zugversuch an Metallen bei Raumtemperatur und die Ermittlung von charakteristischen Kennwerten wie DehngrenzeStreckgrenze, Streckgrenzen-Verlängerung, Zugfestigkeit, Bruchdehnung sowie die Brucheinschnürung. Mit den Kennwerten können Aussagen über die Festigkeit und die Zähigkeit des Werkstoffes gemacht werden. 
 

Während die ASTM E8 sich auf die Maßeinheiten „inch“ und „pound“ bezieht, werden bei der ASTM E8M SI-Einheiten verwendet. Das führt dazu, dass Kennwerte, die nach dem einen Einheitensystem bestimmt wurden nicht exakt denen gleich sind, die nach dem anderen Einheitensystem ermittelt wurden. Die Anfangsmesslänge für die Bestimmung der Dehnungen bei der ASTM E8 bezieht sich auf 4D, also auf 4-mal dem Durchmesser der Rundproben, während er sich bei der ASTM E8M auf 5D, also auf 5-mal dem Durchmesser der Rundproben bezieht. Bei Verwechslungen oder auch Nichtbeachtung kann dies zu Kennwerten führen, die nicht mehr miteinander vergleichbar sind. 
 

Die ASTM E8/ASTM E8M beschreibt den uniaxialen Zugversuch an Metallen bei Raumtemperatur und die Ermittlung von charakteristischen Kennwerten wie DehngrenzeStreckgrenze, Streckgrenzen-Verlängerung, Zugfestigkeit, Bruchdehnung sowie die Brucheinschnürung. Mit den Kennwerten können Aussagen über die Festigkeit und die Zähigkeit des Werkstoffes gemacht werden. 
Weitere gebräuchliche Normen für die Zugversuche sind ASTM D638 für Kunststoffe, ASTM D412 für Gummi und Elastomere sowie ASTM D3039 für Faserverbundwerkstoffe
 

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