Natezni preskus kovin v skladu s standardoma ISO 6892-1 in ASTM E8/E8M: Razumevanje razlik in njihovo koristno izkoriščanje
Proizvajalci jekla in aluminija, proizvajalci originalne opreme (OEM) ter preskusni laboratoriji običajno izvajajo natezne preskuse kovin v okviru zagotavljanja kakovosti. Preskušajo se lastnosti materialov, ki so ključne za trdnost, varnost in zanesljivost komponent. Hkrati je treba zagotoviti, da se posamezni preskus izvede v skladu s standardi – odvisno od zahtev stranke ali pogojev za vstop na trg, bodisi po standardu ISO 6892-1, ASTM E8/E8M bodisi po obeh. To je zato, ker sta oba standarda pomembna na svetovni ravni, zato se v številnih laboratorijih uporabljata vzporedno.
Cilj je v vseh primerih enak: Natezni preskus mora zagotoviti dosledne in zanesljive rezultate, ki so sledljivi in obnovljivi. Vendar pa se prav tu začne izziv, zlasti za laboratorije, ki redno izvajajo preskuse v skladu z obema standardoma. Ob tem se poraja vprašanje: Ali je mogoče rezultate, pridobljene po standardih ISO 6892-1 in ASTM E8/E8M, medsebojno primerjati – in če da, pod kakšnimi pogoji?
Dva standarda, en cilj preskušanja – a ne vedno enaki rezultati
Nekateri laboratoriji, ki izvajajo preskuse v skladu z obema standardoma, namerno izkoriščajo podobnosti med njima: kjer to oba standarda dopuščata, parametre opredelijo na enak način, s čimer ustvarijo boljšo podlago za obnovljive rezultate in učinkovitejše procese.
Kajti tisti, ki poznajo bistvene razlike, lahko pri vsakdanjem laboratorijskem delu pridobijo resnične prednosti.. Rezultate je mogoče bolje razvrstiti, morebitna odstopanja postanejo bolj razumljiva, preskusne postopke pa je mogoče načrtovati bolj premišljeno. Predvsem pa postane jasno, kje je mogoče parametre opredeliti na enak način za izboljšanje obnovljivosti – in kje je potrebna previdnost, saj standardi uporabljajo različne postopke ali opredelitve.
Pregled obeh standardov
Ta članek se osredotoča na natezno preskušanje kovin pri sobni temperaturi v skladu z dvema ključnima standardoma:
- ISO 6892-1: Kovinski materiali – Natezni preskus – 1. del: Metoda preskušanja pri sobni temperaturi
- ASTM E8/E8M: Standardne preskusne metode za natezno preskušanje kovinskih materialov
Standardi za preskušanje pri povišanih ali nizkih temperaturah tukaj niso obravnavani.
Naši strokovnjaki so zastopani v ustreznih odborih za standardizacijo ISO in ASTM.
Zakaj obstajajo standardi ISO in ASTM?
Razlike med standardoma ISO 6892-1 in ASTM E8/E8M so povezane tudi z organizacijama, iz katerih sta ta standarda izšla. ISO je mednarodna organizacija s sedežem v Švici, v kateri so zastopani nacionalni organi za standardizacijo držav članic. Organizacija ASTM ima sedež v ZDA in je bila sprva pod močnim ameriškim vplivom, danes pa se uporablja po vsem svetu ter združuje člane iz industrije, znanosti in javnih organov.
Zaradi zgodovinskih razlogov se ti dve organizaciji razlikujeta v svoji strukturi, načinih dela, postopkih posodabljanja in prednostnih nalogah. To se odraža tudi v standardih: Obe določata standard za natezni preskus kovin, vendar včasih postavljata različne poudarke in vključujeta različne stopnje podrobnosti.
Glede na svetovni pomen obeh standardov so bila prizadevanja za uskladitev očitna – in takšna ostajajo. Obstajajo že številne podobnosti: Osnovni postopek nateznega preskusa kovin je v skladu z obema standardoma enak; oba uporabljata obnovljive preskusne sisteme in opremo, kot so čeljusti, pri čemer je bil v okviru standarda ASTM E8M uveden metrični različica z enotami sistema SI. Rezultat usklajevanja je tudi skupna geometrija za ploščate vzorce.
Sam postopek preskušanja v obeh standardih sledi isti logiki: iz polizdelka se pripravi vzorec, izmeri se njegova geometrija, izvede se natezni preskus, podatki pa se zabeležijo in ovrednotijo. Prav ta skupna osnovna struktura predstavlja dobro izhodišče za nadaljnje korake k usklajevanju.
Pregled glavnih razlik
Čeprav je osnovni postopek preskušanja podoben, se standarda ISO 6892-1 in ASTM E8/E8M razlikujeta v več točkah, ki so pomembne pri vsakdanjem laboratorijskem delu. To med drugim vključuje geometrije vzorcev, merjenje dimenzij vzorcev oziroma določanje začetnega preseka, zahteve za preskusne sisteme, opredelitve rezultatov ter hitrosti preskušanja in metode krmiljenja.
Te razlike niso vse enako kritične. Nekateri se nanašajo predvsem na poimenovanje, drugi pa neposredno vplivajo na določene vrednosti. Zato ni odločilno le to, da razlika obstaja, temveč tudi, kaj ta razlika pomeni za rezultat.
Geometrije vzorcev Merjenje prečnega prereza Zahteve sistema za preskušanje Preskusni rezultat Preskusna hitrost
1. Vzorčna geometrija
Za ploščate vzorce obstaja vnaprej določena geometrija, ki je skladna s standardoma ISO 6892-1 in ASTM E8/E8M. Ta skupna geometrija je bila del uskladitve in omogoča boljšo primerjavo preskusov v določenih pogojih.
| Parameter | ISO 6892-1 | ASTM E8/E8M |
|---|---|---|
| Vrsta vzorca | B1 | Ploski vzorec (v obliki pločevine) |
| Širina | 12,5 mm | 12,5 mm |
| Merilna dolžina | 50 mm | 50 mm |
| Debelina | do 3 mm | 0,13 do 5 mm |
Območje prekrivanja tako zajema debeline pločevine od 0,13 mm do 3 mm. V tem območju je mogoče uporabiti enotno geometrijo vzorcev iz pločevine, s čimer se preskusni pogoji čim bolj poenotijo. Vendar to ne pomeni samodejno, da so vsi rezultati neposredno obnovljivi – zmanjša pa pomemben dejavnik vpliva.
Pri okroglih vzorcih je položaj drugačen. Oba standarda opredeljujeta valjaste vzorce, pri čemer je v obeh primerih merilna dolžina določena glede na premer. Vendar pa standard ASTM E8 razlikuje glede na premere, medtem ko standard ISO 6892-1 upošteva skupine materialov. Ni vnaprej določene standardne geometrije okroglega vzorca. Če želimo ustvariti primerljive pogoje, morata biti merilna dolžina in premer namensko usklajena drug z drugim.
Za posebne izdelke, kot so vijaki, cevi ali podobni izdelki, so včasih pomembni ločeni razdelki ali priloge, ki jih je treba upoštevati.
Če se uporabijo različne geometrije vzorcev, rezultati niso obnovljivi – niti v primeru, ko se vrednosti nanašajo na presek. Zato: Za doseganje obnovljivega odziva napetost-deformacija morata biti merilna dolžina in presek enaka.
2. Merjenje dimenzij vzorca / določanje začetnega preseka
V praksi se pogosto podcenjuje vpliv merjenja preseka. Začetni presek neposredno vpliva na vse izračunane vrednosti napetosti. Če se presek določi na drugačen način, so lahko tudi rezultati drugačni – tudi če je bil dejanski preskus izveden pravilno.
V skladu s standardom ISO 6892-1 se meritve za določitev preseka izvajajo na več točkah vzdolž vzporednega dela vzorca. Vrednosti preseka se nato povprečijo. Za merjenje debeline je zahtevana natančnost ±2 %.
Standard ASTM E8/E8M ima v tem primeru drugačen pristop. Meritev se izvede na najožjem mestu vzporednega dela vzorca. Poleg tega so za natančnost merjenja debeline določene absolutne vrednosti: 2 µm za debeline pločevine, manjše od 2,5 mm, 10 µm za debeline od 2,5 mm do 5 mm ter 20 µm za debeline, večje od 5 mm.
| ISO 6892-1 | ASTM E8/E8M | |
|---|---|---|
| Določanje | Merjenje na več točkah vzdolž vzporednega dela vzorca in izračun povprečja vrednosti preseka | Merjenje na najožji točki vzdolž vzporednega dela vzorca |
| Natančnost merjenja debeline | ±2% | Odvisno od debeline pločevine (2,5 mm, 2,5–5 mm / > 5 mm): 2 µm / 10 µm / 20 µm |
Razlika med odstotkovno in absolutno zahtevo za merjenje debeline je lahko, glede na debelino pločevine, precejšnja. Primer: Pri debelini pločevine 3 mm je v skladu s standardom ISO 6892-1 mogoče odstopanje do 60 µm, medtem ko standard ASTM E8M dovoljuje le 10 µm. Takšne razlike lahko postanejo pomembne pri revizijah, v primeru poizvedb strank ali če so rezultati blizu mejnih vrednosti.
3. Zahteve sistema za preskušanje
Osnovna preskusna postavitev je obnovljiva v skladu s standardoma ISO 6892-1 in ASTM E8/E8M: Potreben je ustrezen preskusni okvir, ki vključuje merilno in krmilno elektroniko, čeljusti, silomer, ekstenziometer ter programsko opremo za vrednotenje, shranjevanje in analizo podatkov. To pomeni, da je tehnična osnova za preskuse po obeh standardih v bistvu podobna, zato v laboratoriju ni treba uporabljati dveh povsem različnih preskusnih sistemov.
Vendar pa obstajajo razlike v zahtevanih razredih točnosti za silomere in ekstenziometre. Poleg tega so razredi točnosti opredeljeni drugače, saj temeljijo na različnih standardih: standardih ISO 6892-1, ISO 7500-1 (merjenje sile) ali ISO 9513 (ekstenziometri) ter standardih ASTM E8, ASTM E4 (merjenje sile) in ASTM E83 (ekstenziometri).
V okviru našega svetovanja preučimo specifične primere uporabe in preverimo, katere zahteve iz standardov ISO 6892-1 in ASTM E8/E8M so v posameznem primeru strožje. Na podlagi tega je preskusna oprema zasnovana tako, da preskusni sistem v največji možni meri zanesljivo zajema oba standarda.
4. Preskusni rezultati
Obstajajo razlike v terminologiji in načinu določanja rezultatov preskusa. Številne vrednosti so si zelo podobne in se razlikujejo le po poimenovanju.
Vendar pa je potrebna previdnost glede raztezka pri največji sili in raztezka pri prelomu. Določanje teh značilnih vrednosti je drugačno.
| ISO 6892-1 | ASTM E8 | |
|---|---|---|
| Gradient elastičnega dela | mE | - |
| Točka popuščanja (raztezek) pri 0,2-odstotnem plastičnem raztezku | Rp0,2 | Točka popuščanja (odmik = 0,2 %) |
| Zgornja točka popuščanja | ReH | UYS |
| Spodnja točka popuščanja | ReL | LYS |
| Točka popuščanja raztezka | AL | YPE |
| Natezna trdnost | Rm | TS |
| Odstotek plastičnega raztezanja pri največji sili | Ag | - |
| Odstotek celotnega raztezanja pri največji sili | Agt | Elu - enakomeren raztezek |
| Deformacija pri porušitvi | A - ročno in s programsko opremo | Raztezek pri prelomu (ročno) |
| Odstotek celotnega raztezka ob zlomu | At | Deformacija pri porušitvi |
Enakomerni raztezek oziroma raztezek pri največji sili
Čeprav sta poimenovanji skoraj enaki in gre za isto značilno vrednost, rezultatov ni mogoče neposredno obnoviti. To je posledica dejstva, da se določanje raztezka pri največji sili – znanega tudi kot enakomerni raztezek – po standardih ISO in ASTM razlikuje.
V skladu s standardom ISO 6892-1 se celotni raztezek pri največji sili Agt določi v točki, kjer nastopi največja sila.
V standardu ASTM E8 se skupni raztezek pri največji sili Elu določi na drugačen način: 0,5 % pod največjo silo se nariše vodoravna črta, raztezek pa se odčita na sredini te črte.
Odvisno od materiala lahko to privede do znatnih razlik v rezultatih.
Še ena razlika: Standard ISO 6892-1 dodatno opredeljuje odstotni plastični raztezek pri največji sili (Ag), pri čemer se od skupne vrednosti odšteje elastični raztezek. Standard ASTM te karakteristične vrednosti ne uporablja.
Deformacija pri porušitvi
Skupni raztezek v trenutku loma se določi na zadnji merilni točki pred zmanjšanjem sile, saj ta točka označuje lom. V standardu ISO 6892-1 se ta značilna vrednost imenuje skupni odstotni raztezek ob pretrgu At, medtem ko jo standard ASTM E8 označuje kot raztezek ob prelomu.
Pri raztezku ob prelomu A v skladu s standardom ISO 6892-1 se elastični raztezek odšteje, tako da se prikaže le preostali raztezek. Tu je ključna razlika v standardu ASTM E8, saj se raztezek po pretrgu določi ročno – tako, da se po pretrgu obe polovici vzorca ponovno sestavita in izmerita. V ta namen se na vzorec pred preskusom namestijo oznake.
Ker se rezultati ročnih in samodejnih meritev običajno močno razlikujejo, bi bilo mogoče za zagotavljanje primerljivosti s standardom ISO uporabiti tudi ročni izračun. To je v skladu s standardom ISO 6892-1 prav tako mogoče, vendar se zaradi večjega obsega dela in večjega razpona vrednosti uporablja vse redkeje.
Pri primerjavi vrednosti raztezka ob pretrgu je treba upoštevati še en vidik: Hitrost preskušanja v območju plastične deformacije je v obeh standardih opredeljena drugače, zato se lahko v tem delu razlikuje. Vendar pa hitrosti preskušanja znatno vplivajo na rezultate, kar postane še jasneje v naslednjem razdelku.
5. Metode za nadzor hitrosti preskušanja
Oba standarda določata tri različne metode za nadzor hitrosti preskušanja do doseganja točke popuščanja. Metode so funkcionalno primerljive, vendar se poimenovanja razlikujejo – in prav to v vsakdanjem laboratorijskem delu pogosto povzroča zmedo.
Rezultati, pridobljeni z uporabo različnih metod krmiljenja, niso obnovljivi – kar je kritična točka.
| ISO 6892-1:2020 | Opis preskusne metode | ASTM E8/E8M-22 | |
|---|---|---|---|
| Metoda A1 | Krmiljenje hitrosti deformacije v zaprti zanki, npr. 0,00025 s-1 ±20% | Metoda B | Krmiljenje hitrosti deformacije v zaprti zanki, npr. 0,00025 s-1 ±40% |
| Metoda A2 | Krmiljenje hitrosti deformacije v odprti zanki, npr. 0,00025 s-1 ±20% | Metoda C | Hitrost prečke npr. 0,00025 s-1 ±20 % |
| Metoda B | Hitrost obremenjevanja, npr. 6/60 MPa/s za jeklo ali 2/20 MPa/s za aluminij | Metoda A | Hitrost naraščanja napetosti 1,15 … 11,5 MPa/s |
| Hitrost preskušanja (po prekoračitvi točke popuščanja), npr. za določanje natezne trdnosti | z.B. 0,0067 s-1 ±20 % (ali 0,00025 s-1 ali 0,002 s-1) | Hitrost preskušanja (po prekoračitvi točke popuščanja), npr. za določanje natezne trdnosti | npr. 0,00083 … 0,0083 s-1 |
Specifikacije za nadzor hitrosti naraščanja napetosti se razlikujejo. Medtem ko je v standardu ISO 6892-1 hitrost naraščanja napetosti odvisna od modula elastičnosti materiala, je v standardu ASTM E8 od njega neodvisna.
Po drugi strani pa so metode z nadzorom hitrosti deformacije do dosega točke popuščanja obnovljive. V obeh standardih so bile določene enake hitrosti preskušanja. Samo pri različici z »zanko povratne zveze« (closed-loop) standard ASTM E8 dopušča večjo toleranco.
Kovinski materiali so občutljivi na hitrosti deformacije. Večja hitrost preskušanja na primer vodi do višjih točk popuščanja in ima zato velik vpliv na rezultate preskusa.
Najboljšo obnovljivost preskusnih vrednosti dosežemo z metodo zaprte zanke. To zagotavlja enake hitrosti deformacije pri določanju točke popuščanja. Ta metoda postavlja višje zahteve za opremo, vendar se lahko obrestuje z zanesljivejšimi rezultati in manjšimi odstopanji.
Zaključek: Poznajte razlike, učinkovito izkoristite podobnosti
Standardoma ISO 6892-1 in ASTM E8/E8M priznavajo veljavnost po vsem svetu, uveljavljena pa sta tudi v praksi. Tisti, ki razumejo razlike, lahko pravilno razvrstijo rezultate, se izognejo napačnim razlagam in delajo učinkoviteje. Ker sta standarda na nekaterih področjih usklajena, je mogoče njune podobnosti izkoristiti na ciljno usmerjen način – na primer z uporabo enakih oblik vzorcev, nastavitev, postopkov in zagotavljanjem obnovljivih pogojev preskušanja.
Pri vsakdanjem laboratorijskem delu preskusni sistem, ki zajema oba standarda brez zapletenih prilagoditev, znatno olajša prehod med standardoma ISO 6892-1 in ASTM E8/E8M. Poleg ustrezne preskusne opreme ima odločilno vlogo programska oprema: Standardni preskusni programi v sistemu testXpert že vključujejo vse ustrezne zahteve standardov in zagotavljajo izvedbo preskusa v skladu s standardi.
Nastavitve stroja lahko shranite tudi v programski opremi za preskušanje in jih samodejno znova uporabite. To omogoča preklapljanje med preskusi po standardih ISO 6892-1 in ASTM E8/E8M na varen in obnovljiv način ter z minimalnim naporom.
