Badanie rozciągania metalu zgodnie z normami ISO 6892-1 i ASTM E8/E8M: Zrozumienie różnic i czerpanie z nich korzyści
Producenci stali, producenci aluminium, OEM-y i laboratoria badawcze przeprowadzają próby rozciągania metali zazwyczaj w ramach zapewnienia jakości. Badane są właściwości materiałowe, które są decydujące dla wytrzymałości, bezpieczeństwa i niezawodności elementów konstrukcyjnych. Jednocześnie musi być zapewnione, że dane badanie jest przeprowadzane zgodnie z normą – w zależności od wymagań klienta lub dostępu do rynku według ISO 6892-1, ASTM E8/E8M lub według obu norm. Ponieważ obie normy mają znaczenie globalne i dlatego są stosowane równolegle w wielu laboratoriach.
Cel jest zawsze taki sam: Próba rozciągania powinna dostarczać spójne i niezawodne wyniki, identyfikowalne i porównywalne. Dokładnie tutaj zaczyna się jednak wyzwanie, przede wszystkim w przypadku laboratoriów, które regularnie badają według obu norm. Nasuwa się pytanie: Czy wyniki uzyskane zgodnie z normami ISO 6892-1 i ASTM E8/E8M można porównywać – a jeśli tak, to w jakich warunkach?
Dwie normy, jeden cel badawczy – ale nie zawsze te same wyniki
Niektóre laboratoria, które badają według obu standardów, świadomie wykorzystują cechy wspólne norm: Definiują oni parametry tam tak samo, gdzie obie normy na to pozwalają, i tworzą przez to lepszą podstawę dla porównywalnych wyników i wydajniejszych procesów.
Ponieważ ten, kto zna istotne różnice, może zapewnić sobie realne korzyści w codziennej pracy laboratoryjnej. Wyniki dają się lepiej sklasyfikować, możliwe odchylenia stają się bardziej zrozumiałe, a procesy badawcze mogą być kształtowane w sposób bardziej świadomy. Przede wszystkim jednak uwidacznia to obszary, w których można ujednolicić parametry w celu zwiększenia porównywalności wyników, jak również punkty, w których należy zachować szczególną ostrożność ze względu na odmienne procedury lub definicje przyjęte w obu normach.
Dwa system norm Różnice Rozwiązania badawcze
O jakich dwóch normach mówimy
W tym artykule omówiono badanie rozciągania metali w temperaturze pokojowej zgodnie z dwiema kluczowymi normami:
- ISO 6892-1: Metallic materials – Tensile testing – Part 1: Method of test at room temperature
- ASTM E8/E8M: Standard Test Methods for Tension Testing of Metallic Materials
Części normy dotyczące podwyższonych lub niskich temperatur nie są tutaj rozpatrywane.
Nasi eksperci są reprezentowani we właściwych komitetach normalizacyjnych ISO i ASTM.
Dlaczego istnieją normy ISO i ASTM?
Różnice między ISO 6892-1 a ASTM E8 / E8M mają również do czynienia z organizacjami, z których te normy wyrosły. ISO to międzynarodowa organizacja z siedzibą w Szwajcarii, w której reprezentowane są krajowe organizacje normalizacyjne krajów członkowskich. ASTM ma swoją siedzibę w USA, pierwotnie była silnie ukształtowana przez USA, dziś jest jednak również używana globalnie i jednoczy członków z przemysłu, nauki i urzędów publicznych.
Ze względów historycznych obie organizacje różnią się strukturą, metodologią pracy, procedurami aktualizacji oraz głównymi obszarami działalności. Znajduje to również odzwierciedlenie w samych normach: Obie organizacje udostępniają standardy dla próby rozciągania metali, jednak kładą nacisk na inne aspekty i charakteryzują się odmiennym poziomem szczegółowości.
Biorąc pod uwagę globalne znaczenie obu norm, dążenie do ich harmonizacji było i jest kwestią oczywistą. Już teraz można dostrzec liczne podobieństwa: Zasadniczy proces próby rozciągania metali jest według obu norm taki sam, obie używają porównywalnych systemów badawczych i wyposażenia jak uchwyty mocujące, a wraz z ASTM E8M został ustanowiony metryczny wariant z jednostkami SI. Również wspólna geometria próbki dla próbek płaskich jest wynikiem harmonizacji.
Proces badawczy w obu normach przebiega według tej samej logiki: Wychodząc od półproduktu, przygotowywana jest próbka, geometria jest mierzona, próba rozciągania jest przeprowadzana, dane są rejestrowane i analizowane. Dokładnie ta wspólna struktura podstawowa jest dobrą bazą wyjściową dla dalszych kroków harmonizacji.
Najważniejsze różnice w skrócie
Mimo że podstawowy proces badawczy jest podobny, normy ISO 6892-1 oraz ASTM E8/E8M różnią się w kilku kwestiach istotnych w codziennej praktyce laboratoryjnej. Do tego należą w szczególności geometrie próbek, pomiar wymiarów próbek względnie określenie początkowego przekroju poprzecznego, wymagania wobec systemu badawczego, definicje wyników jak również prędkości badawcze i metody regulacji.
Te różnice nie są wszystkie tak samo krytyczne. Część z nich odnosi się głównie do samej nomenklatury, podczas gdy inne mają bezpośredni wpływ na uzyskiwane wartości parametrów. Kluczowe znaczenie ma zatem nie sam fakt istnienia danej różnicy, lecz to, jaki ma ona wpływ na ostateczny wynik badania.
Geometria próbek Pomiar przekroju poprzecznego Wymagania, dotyczące systemu badawczego Wyniki badawcze Prędkość badawcza
1. Geometria próby
Dla próbek płaskich istnieje predefiniowana geometria, która jest identyczna zarówno w normie ISO 6892-1, jak i ASTM E8/E8M. Ta zunifikowana geometria stanowi efekt działań harmonizacyjnych i pozwala – pod pewnymi warunkami – na dokładniejsze porównywanie wyników badań.
| Parametr | ISO 6892-1 | ASTM E8/E8M |
|---|---|---|
| Typ próby | B1 | Próba płaska (sheet type) |
| Szerokość | 12,5 mm | 12,5 mm |
| Długość pomiarowa | 50 mm | 50 mm |
| Grubość | do 3 mm | 0,13 do 5 mm |
Nakładający się obszar leży tym samym przy grubościach blach od 0,13 mm do 3 mm. W tym zakresie wspólna geometria próbek płaskich może być wykorzystana, aby ukształtować warunki badania możliwie podobnie. To nie oznacza jednak automatycznie, że wszystkie wyniki są bezpośrednio porównywalne – ale to redukuje ważną wielkość wpływającą.
Przy próbkach okrągłych sytuacja wygląda inaczej. Obie normy definiują próbki okrągłe o kształcie cylindrycznym, a w obu przypadkach długość pomiarowa jest określana w odniesieniu do średnicy. Norma ASTM E8 rozróżnia jednak średnice, natomiast norma ISO 6892-1 bierze pod uwagę grupy materiałów. Nie ma predefiniowanej, powszechnej okrągłej geometrii próbki. Jeżeli mają zostać stworzone porównywalne warunki, konieczne jest świadome skoordynowanie długości pomiarowej i średnicy.
W przypadku produktów specjalnych, takich jak śruby, rury lub podobne produkty , czasami istotne są osobne sekcje lub załączniki, które należy wziąć pod uwagę.
W przypadku stosowania różnych geometrii próbek wyniki nie są porównywalne – nawet jeśli wartości odnoszą się do przekroju poprzecznego. Dlatego: Aby uzyskać porównywalne zachowanie naprężenia i wydłużenia, długość pomiarowa i przekrój poprzeczny muszą być identyczne.
2. Pomiar wymiarów próbki / Określenie początkowego pola przekroju poprzecznego
W praktyce często niedocenia się wpływu pomiarów przekrojowych. Początkowe pole przekroju poprzecznego ma bezpośredni wpływ na wszystkie obliczone wartości naprężeń. Jeśli przekrój zostanie określony w różny sposób, wyniki również mogą się różnić – nawet jeśli właściwe badanie zostało przeprowadzone prawidłowo.
W normie ISO 6892-1 do określenia przekroju poprzecznego pomiary przeprowadza się w kilku punktach na długości równoległej próbki. Następnie wartości przekroju poprzecznego są uśredniane. Do pomiaru grubości wymagana jest dokładność ±2%.
Norma ASTM E8/E8M postępuje w tym przypadku inaczej. Pomiar odbywa się w najwęższym miejscu długości równoległej próbki. Ponadto dla dokładności pomiaru grubości podano wartości bezwzględne: 2 µm przy grubościach blach mniejszych niż 2,5 mm, 10 µm przy grubościach od 2,5 mm do 5 mm i 20 µm przy grubościach większych niż 5 mm.
| ISO 6892-1 | ASTM E8/E8M | |
|---|---|---|
| Określenie | Pomiar w kilku punktach na długości równoległej próbki i uśrednienie wartości przekroju poprzecznego | Pomiar w najwęższym miejscu długości równoległej próbki |
| Dokładność pomiaru grubości | ±2 % | W zależności od grubości blachy (< 2,5 mm, 2,5 - 5mm / > 5 mm): 2 µm / 10 µm / 20 µm |
Różnica między procentową a bezwzględną wartością wymaganą do pomiaru grubości może być znacząca w zależności od grubości blachy. Przykład: W przypadku blachy o grubości 3 mm dopuszczalne jest odchylenie do 60 µm zgodnie z normą ISO 6892-1, podczas gdy norma ASTM E8M dopuszcza jedynie odchylenie 10 µm. Takie różnice mogą okazać się istotne w przypadku audytów, zapytań klientów lub wyników bliskich wartościom granicznym.
3. Wymagania dla systemu badawczego
Zasadniczy układ badawczy według ISO 6892-1 i ASTM E8/E8M jest porównywalny: Wymagane są: odpowiednia rama obciążeniowa wraz z elektroniką pomiarowo-regulacyjną, uchwyty mocujące próbę, głowica pomiaru siły, ekstensometr oraz oprogramowanie do akwizycji, zapisu i analizy danych. Tym samym baza techniczna do badań według obu norm jest zasadniczo podobna i w laboratorium nie ma konieczności stosowania dwóch całkowicie odmiennych systemów badawczych.
Różnice występują jednak w wymaganych klasach dokładności dla czujników siły i ekstensometrów. Do tego dochodzi fakt, że klasy dokładności są różnie zdefiniowane , ponieważ podstawę do tego stanowią z kolei inne normy: Dla normy ISO 6892-1 są to odpowiednio ISO 7500-1 (pomiar siły) oraz ISO 9513 (ekstensometry), a dla normy ASTM E8 – ASTM E4 (pomiar siły) oraz ASTM E83 (ekstensometry).
W naszych konsultacjach analizujemy konkretne zastosowania i sprawdzamy, które wymagania norm ISO 6892-1 oraz ASTM E8/E8M są w danym przypadku wyższe. Na tej podstawie sprzęt badawczy jest dobierany tak, aby jeden system badawczy w miarę możliwości bezpiecznie spełniał wymagania obu norm.
4. Wyniki badania
W przypadku wyników badań występują różnice w terminologii oraz metodzie wyznaczania. Wiele wartości jest bardzo podobnych i różnią się one jedynie nazewnictwem.
Należy jednak zachować ostrożność w przypadku wydłużenia przy sile maksymalnej oraz wydłużenia przy zerwaniu. Wyznaczanie tych wartości charakterystycznych odbywa się w różny sposób.
| ISO 6892-1 | ASTM E8 | |
|---|---|---|
| Nachylenie części elastycznej | mE | - |
| Granica plastyczności (wyraźna lub umowna) przy 0,2% odkształcenia plastycznego | Rp0,2 | Umowna granica plastyczności (offset = 0,2 %) |
| Górna granica plastyczności | ReH | UYS |
| Dolna granica plastyczności | ReL | LYS |
| Wydłużenie granicy plastyczności | AL | YPE |
| Wytrzymałość na rozciąganie | Rm | TS |
| Plastyczne wydłużenie ekstensometryczne przy sile maksymalnej | Ag | - |
| Całkowite wydłużenie ekstensometryczne przy sile maksymalnej | Agt | Elu - wydłużenie równomierne |
| Wydłużenie niszczące | A - ręcznie i za pomocą oprogramowania | Wydłużenie przy zerwaniu (ręcznie) |
| Całkowite wydłużenie ekstensometryczne przy zerwaniu | At | Wydłużenie niszczące |
Wydłużenie równomierne lub wydłużenie przy sile maksymalnej
Nazewnictwo jest niemal identyczne, jest to również ta sama wartość charakterystyczna, a mimo to wyniki nie są bezpośrednio porównywalne. Ponieważ wyznaczanie wydłużenia przy sile maksymalnej, zwanego również wydłużeniem równomiernym, jest różne według ISO i ASTM.
Według normy ISO 6892-1 całkowite wydłużenie ekstensometryczne przy sile maksymalnej Agt jest wyznaczane w punkcie maksymalnej siły.
W normie ASTM E8 całkowite wydłużenie przy sile maksymalnej Elu jest wyznaczane inaczej: 0,5% poniżej maksymalnej siły wykreśla się poziomą prostą, a wydłużenie odczytuje się w środku tej prostej.
W zależności od materiału może to prowadzić do istotnych różnic w wynikach.
Jeszcze jedna różnica: Norma ISO 6892-1 definiuje dodatkowo plastyczne wydłużenie ekstensometryczne przy sile maksymalnej (Ag), w przypadku którego wydłużenie sprężyste jest odejmowane od wartości całkowitej. ASTM nie uwzględnia tej wartości charakterystycznej.
Wydłużenie niszczące
Całkowite wydłużenie w momencie zerwania jest wyznaczane w ostatnim punkcie pomiarowym przed spadkiem siły, ponieważ wyznacza on moment zniszczenia. W normie ISO 6892-1 wartość charakterystyczna ta nazywa się „całkowitym wydłużeniem ekstensometrycznym przy zerwaniu At", natomiast norma ASTM E8 określa ją jako wydłużenie przy zerwaniu (Elongation at Break).
W przypadku wydłużenia przy zerwaniu A według normy ISO 6892-1 wydłużenie sprężyste jest odejmowane, dzięki czemu podawane jest tylko wydłużenie trwałe. W tym miejscu norma ASTM E8 wprowadza istotną różnicę, ponieważ „wydłużenie po zerwaniu” jest wyznaczane ręcznie, poprzez ponowne, manualne złożenie obu połówek próbki po pęknięciu i ich zmierzenie. W tym celu przed badaniem na próbkę nanoszone są znaczniki pomiarowe.
Ponieważ wyniki pomiaru ręcznego i automatycznego z reguły mocno się różnią, w celu zapewnienia porównywalności można by również w przypadku normy ISO zastosować obliczenia ręczne. Jest to również możliwe według normy ISO 6892-1, jednak ze względu na większy nakład pracy oraz większy rozrzut wartości znajduje zastosowanie coraz rzadziej.
Przy porównywaniu wartości wydłużenia przy zerwaniu należy zwrócić uwagę na jeszcze jedną kwestię: Prędkość badania w zakresie odkształcenia plastycznego jest różnie zdefiniowana w obu normach i może się tutaj różnić. Prędkość badania ma jednak istotny wpływ na wyniki, co stanie się jeszcze bardziej widoczne w następnym rozdziale.
5. Prędkość badawcza i metody regulacji
Obie normy definiują trzy różne metody regulacji prędkości badania do momentu osiągnięcia granicy plastyczności. Metody te są funkcjonalnie porównywalne, jednak ich oznaczenia się różnią – i właśnie to w codziennej praktyce laboratoryjnej często prowadzi do nieporozumień.
Przy czym wyniki wyznaczone za pomocą różnych metod regulacji nie są porównywalne – to punkt krytyczny.
| ISO 6892-1:2020 | Opis metody badawczej | ASTM E8/E8M-22 | |
|---|---|---|---|
| Metoda A1 | Regulacja prędkością wydłużenia w zamkniętej pętli regulacji “closed loop” np. 0.00025 s-1 ±20 % | Metoda B | Regulacja prędkością wydłużenia w zamkniętej pętli regulacji “closed loop” np. 0.00025 s-1 ±40 % |
| Metoda A2 | Regulacja prędkością wydłużenia w otwartej pętli regulacji "open loop" np. 0.00025 s-1 ±20 % | Metoda C | Prędkość trawersy np. 0.00025 s-1 ±20 % |
| Metoda B | Prędkość naprężenia np. 6/60 MPa/s dla stali lub 2/20 MPa/s dla aluminium | Metoda A | Prędkość przyrostu naprężenia 1.15 … 11.5 MPa/s |
| Prędkość badania (po przekroczeniu granicy plastyczności) np. do wyznaczenia wytrzymałości na rozciąganie | np. 0.0067 s-1 ±20 % (lub 0,00025 s-1 lub 0,002 s-1) | Prędkość badania (po przekroczeniu granicy plastyczności) np. do wyznaczenia wytrzymałości na rozciąganie | np. 0.00083 … 0.0083 s-1 |
Wytyczne, dotyczące regulacji na podstawie prędkości przyrostu naprężenia są różne. Podczas gdy w normie ISO 6892-1 prędkość przyrostu naprężenia zależy od modułu sprężystości podłużnej materiału, w normie ASTM E8 jest ona od niego niezależna.
Porównywalne są natomiast metody ze regulacją prędkością wydłużenia do momentu osiągnięcia granicy plastyczności. W tym przypadku w obu normach zdefiniowano takie same prędkości badania. Jedynie w przypadku wariantu „closed loop” norma ASTM E8 dopuszcza większą tolerancję.
Materiały metalowe są wrażliwe na prędkość wydłużenia. Wyższa prędkość badawcza prowadzi na przykład do wyższych granic plastyczności i ma tym samym duży wpływ na wyniki badań.
Najlepszą porównywalność wartości badawczych uzyskuje się stosując metodę closed-loop. Gwarantuje ona zapewnienie identycznych prędkości wydłużenia podczas wyznaczania granicy plastyczności. Metoda ta stawia wyższe wymagania przed sprzętem, ale może się opłacić w postaci bardziej niezawodnych wyników i mniejszego rozrzutu wartości.
Wniosek: Znać różnice, efektywnie wykorzystywać podobieństwa
Normy ISO 6892-1 oraz ASTM E8/E8M są uznawane na całym świecie i powszechnie stosowane w praktyce. Zrozumienie tych różnic pozwala na właściwą ocenę wyników, unikanie błędnych interpretacji oraz bardziej efektywną pracę. Ponieważ obie normy są w niektórych obszarach zharmonizowane, można celowo wykorzystać cechy wspólne: na przykład poprzez takie same kształty próbek, ustawienia, procedury i ogólnie porównywalne warunki badania.
W codziennej praktyce laboratoryjnej system badawczy, który obsługuje obie normy bez konieczności czasochłonnej przebudowy, znacznie ułatwia przejście między ISO 6892-1 a ASTM E8/E8M. Oprócz odpowiedniego sprzętu badawczego odgrywa tutaj kluczową rolę oprogramowanie:: Standardowe programy badawcze programu testXpert zawierają już wszystkie istotne wytyczne normatywne i gwarantują przeprowadzenie badania zgodnie z normą.
Ponadto w oprogramowaniu badawczym można zapisywać ustawienia maszyny i automatycznie je odtwarzać. Dzięki temu można bezpiecznie, powtarzalnie i niewielkim nakładem pracy przechodzić między badaniami według norm ISO 6892-1 oraz ASTM E8/E8M.
