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DIN EN ISO 6892-2 Zugversuch an Metall - Prüfverfahren bei erhöhter Temperatur

Der Zugversuch besteht darin, eine erwärmte Probe durch eine uniaxiale Zugbeanspruchung zu dehnen, um Kennwerte für Dehngrenzen, Zugfestigkeit, Bruchdehnung etc. zu ermitteln. Der Zugversuch wird bei einer Temperatur größer als 35°C durchgeführt.

Die Norm DIN EN ISO 6892-2:2018 beschreibt den Zugversuch an metallischen Werkstoffen bei erhöhten Temperaturen.

Die Prüfaufgabe im Detail

Die Prüfaufgabe besteht darin, die Kennwerte des Zugversuchs bei erhöhter Temperatur sicher und reproduzierbar zu bestimmen und internationale Vergleichbarkeit zu erreichen. In der ISO 6892-2 sind zwei Verfahren bezüglich der Prüfgeschwindigkeit beschrieben. Das erste, das Verfahren A, basiert auf Dehngeschwindigkeiten mit engen Toleranzen (±20 %), und das zweite, das Verfahren B, basiert auf konventionellen Dehngeschwindigkeitsbereichen und Toleranzen. Verfahren A ist - wenn dehngeschwindigkeitsabhängige Kennwerte bestimmt werden - zur Minimierung der Geschwindigkeitsabhängigkeit und zur Minimierung der Messunsicherheit der Prüfergebnisse geeignet.

Der Geschwindigkeitseinfluss auf die mechanischen Eigenschaften, die mit Hilfe des Zugversuchs ermittelt werden, ist in der Regel bei erhöhten Temperaturen größer als bei Raumtemperatur. Die ISO 6892-2 empfiehlt die Anwendung geringerer Dehngeschwindigkeiten als bei Raumtemperatur, es werden jedoch für bestimmte Anwendungsfälle, wie z. B. für den Vergleich mit den Raumtemperatur-Zugversuchskennwerten bei gleicher Dehnungsgeschwindigkeit, zusätzlich höhere Dehngeschwindigkeiten zugelassen.

Während der Diskussion bezüglich der Prüfgeschwindigkeit bei der Vorbereitung von ISO 6892-2 wurde entschieden, die Entfernung der Methode der Spannungsgeschwindigkeit für zukünftige Versionen der Norm in Betracht zu ziehen.

Die wichtigsten Kennwerte des Zugversuchs

Die Prüfgeschwindigkeit im Fokus des Zugversuchs gemäß DIN EN ISO 6892-2

Die DIN EN ISO 6892-2 legt einen besonderen Fokus auf die Prüfgeschwindigkeit. In früheren Versionen der Norm wurden große Dehngeschwindigkeitsbereiche erlaubt. Die großen Geschwindigkeitsbereiche können jedoch für Werkstoffe, die empfindlich auf unterschiedliche Prüfgeschwindigkeiten reagieren, dazu führen, dass die Kennwerte eines Materials aus verschiedenen Prüfungen deutliche Abweichungen zeigen, obwohl normgerecht geprüft wurde.

Um die Messunsicherheit der Resultate, die sich aus dieser Variation von Prüfgeschwindigkeiten begründen, zu minimieren, hat die internationale Normung ISO neben der bestehenden Methode, die auf Positions und Kraftregelung sowie teilweise auf Spannungszunahmegeschwindigkeiten beruht (Verfahren B), eine weitere Methode in die Norm aufgenommen. Diese weitere Methode erlaubt es, die Prüfgeschwindigkeit an der Probe selbst zu kontrollieren (Verfahren A). Das geschieht mit der Messung der Dehnung an der Probe selbst und das Einbringen dieses Dehnungssignals in einen geschlossenen Regelkreis „closed loop“ zur Steuerung der fahrenden Traverse.

Wahl der Prüfgeschwindigkeit gemäß ISO 6892-2

Wenn nicht anders festgelegt, unterliegt die Wahl des Verfahrens (A oder B) und der Prüfgeschwindigkeit dem Hersteller oder dem von ihm beauftragten Prüflabor, vorausgesetzt, die Festlegungen der ISO 6892-2 werden eingehalten.

Die Dehnungsregelung im geschlossenen Regelkreis „closed loop“ ist für die erste und empfindlichste Phase der Zugprüfung so genormt, dass nur zwei Geschwindigkeitsbereiche bis zur sicheren Erkennung von Rp mit deutlich reduzierter Toleranz festgelegt sind: die Dehngeschwindigkeiten 0,00007 pro Sekunde oder 0,00025 pro Sekunde mit den Toleranzen ±20 %, wobei ersterer Geschwindigkeitsbereich durch die Norm empfohlen wird, wenn nicht anders festgelegt. Für die Dehnungsregelung im geschlossenen Regelkreis „closed loop“ ist hierfür ein Dehnungsaufnehmer (Extensometer) zwingend erforderlich. Für die Bestimmung der Zugfestigkeit und Bruchdehnung wird eine Dehngeschwindigkeit von 0,0014 pro Sekunde empfohlen, wobei normgerecht positionsgeregelt gefahren wird (über das Signal der Traversenposition).

Genau betrachtet, müssen begrifflich zwei Dehngeschwindigkeiten unterschieden werden: erstens die auf die Extensometer-Messlänge (Le) bezogene „Dehngeschwindigkeit“ („closed loop“, Verfahren A1) und zweitens die auf die Versuchslänge der Probe (Lc) bezogene „mittlere Dehngeschwindigkeit über die Versuchslänge“ („open loop“, Verfahren A2). Die letztere wird in der Norm auch als „abgeschätzte Dehngeschwindigkeit über die  Versuchslänge“ bezeichnet. Im Fall der Dehnungsregelung wird die Dehngeschwindigkeit auf Le bezogen, basiert also auf dem Dehnungssignal, im Fall der Positionsregelung auf Lc, basiert also auf dem Traversenpositionssignal.

Video: Zugversuch an Metall bei erhöhten Temperaturen gemäß DIN EN ISO 6892-2

Zugversuch an Metall nach DIN EN ISO 6892-2 Verfahren A1

Anforderung an die Temperiereinrichtung und Temperaturregelung gemäß ISO 6892-2

Neben der Prüfgeschwindigkeit hat auch die Temperatur einen großen Einfluss auf die Materialkennwerte. Die DIN EN ISO 6892-2 widmet sich daher auch sehr detailliert der Temperiereinrichtung und der Temperaturregelung.

Die zur Erwärmung der Probe verwendete Temperiereinrichtung muss so beschaffen sein, dass die Probe auf die festgelegte Prüftemperatur T erwärmt werden kann. Ferner, muss die Temperiereinrichtung geeignete Öffnungen für Temperaturfühler und Extensometerfühlerarme aufweisen. Die zulässigen Abweichungen zwischen der festgelegten Prüftemperatur T und den angezeigten Temperaturen Ti, sowie die maximal zulässigen Temperaturdifferenzen über die Länge der Probe sind in der Tabelle oben angegeben. Die zulässigen Abweichungen über 1.100°C sind von den beteiligten Parteien separat zu vereinbaren.

Das Temperaturmesssystem (sämtliche Bestandteile der Messkette) muss eine Auflösung von mindestens 1°C und eine Fehlergrenze von ±0,004*T oder ±2°C haben, wobei der größere Wert gilt. Um den Versuch  normgerecht durchzuführen, müssen die Temperaturfühler guten thermischen Kontakt mit der Oberfläche der Probe haben und in geeigneter Weise gegen Strahlung von der Wand der Temperiereinrichtung geschützt  sein.

Die Anzahl der zu verwendenden Temperaturfühler richtet sich nach der Größe der Probe. Bei Anfangsmesslängen unter 50 mm ist die Temperatur an den Enden der Versuchslänge mit jeweils einem Temperaturfühler zu messen. Bei größeren Anfangsmesslängen ist zusätzlich ein dritter Temperaturfühler probenmittig zu verwenden. Die Anzahl Probenthermoelemente darf jedoch verringert werden, sofern die Gesamtanordnung von Temperiereinrichtung und Probe so gestaltet ist, dass erfahrungsgemäß die Temperaturdifferenzen über die Länge der Probe die festgelegten zulässigen Abweichungen nicht überschreiten. Die Temperatur der Probe ist in jedem Fall mit mindestens einem Temperaturfühler direkt zu messen.

Außerdem schreibt die Norm ISO 6892-2 vor, dass alle Bestandteile des Temperaturmesssystems im Abstand von höchstens einem Jahr über den gesamten Arbeitsbereich zu überprüfen und zu kalibrieren sind. Wurde die Probe schlussendlich auf die Prüftemperatur T erwärmt, so ist vor der Belastung eine Durchwärmzeit von mindestens 10 min einzuhalten.

Anforderung an die Dehnungsmessung gemäß ISO 6892-2

Die ISO 6892-2 sieht vor, dass die Längenänderungs-Messeinrichtung zur Bestimmung der Dehngrenzen im relevanten Bereich mindestens der Klasse 1 nach ISO 9513 entspricht. Die Extensometer-Messlänge darf nicht geringer als 10 mm sein und muss mittig zur Versuchslänge liegen. Alle Teile des Extensometers außerhalb der Temperiereinrichtung (Ofen, Temperierkammer usw.) müssen so ausgelegt oder vor Zugluft geschützt werden, dass Schwankungen der Raumtemperatur nur minimale Auswirkungen auf die Messwerte haben. Allerdings gibt die Norm hier keine weitere Auskunft über zulässige Auswirkungen von Raumtemperaturschwankungen.

Da die Versuche bei erhöhter Temperatur durchgeführt werden, ergeben sich in der Praxis mehrere Möglichkeiten die Anfangsmesslänge festzulegen, je nachdem ob die Wärmeausdehnung der Probe während des Aufheizens vor dem eigentlichen Versuchsstart berücksichtigt wird.

Anforderung an die Probe gemäß ISO 6892-2

Die Proben müssen so hergestellt werden, dass die Werkstoffeigenschaften nicht beeinflusst werden. Alle Bereiche, die bei der Probenherstellung durch Schneiden oder Stanzen kaltverfestigt worden sind, müssen - wenn sie die Eigenschaften beeinflussen - abgearbeitet werden.

Erzeugnisse mit gleichbleibendem Querschnitt (Profile, Stäbe, Drähte usw.) sowie gegossene Probestücke (z. B. Gusseisen, Nichteisen-Legierungen) dürfen ohne Bearbeitung geprüft werden. Der Probenquerschnitt darf kreisförmig, quadratisch, rechteckig oder ringförmig sein oder in besonderen Fällen auch einen anderen einheitlichen Querschnitt haben. Die zu bevorzugenden Proben besitzen ein bestimmtes Verhältnis von Anfangsmesslänge Lo zum Anfangsquerschnitt So, welches durch die Gleichung
Lo =k x √So ausgedrückt wird, wobei k der Proportionalitätsfaktor ist. Der international festgelegte Wert für k ist 5,65.

Typische Probenformen für den Zugversuch gemäß DIN EN ISO 6892-2 sind:

  • Flachproben mit Absteckbolzen
  • Rundproben mit Gewindekopf

 

Die neue Norm DIN EN ISO 6892-2:2018

  • Etabliert weltweit die Erkenntnis, dass die Dehnungsregelung mit Messung der Dehnung an der Probe - mit einem Extensometer - die bessere Regelmethode ist.
  • Öffnet den Weg zu stabileren und sichereren Bestimmung von Dehn- und Streckgrenzen.
  • Schafft eine Verbesserung in der Reproduzierbarkeit der Ergebnisse zwischen Material-Prüfmaschinen, zwischen Laboren, zwischen Lieferant und Abnehmer, bei der Zusammenarbeit mit Prüfinstitutionen und Zertifizierern.
  • Setzt für Dehngeschwindigkeiten die Toleranzgrenzen in allen Dehngeschwindigkeitsbereichen auf
    ±20 % fest (Verfahren A).

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