Ergebnisse zur Revision des Zugversuches nach ISO 6892 (Prüfgeschwindigkeiten und rechnergesteuerter Zugversuch)

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1 Ergebnisse zur Revision des Zugversuches nach ISO 6892 (Prüfgeschwindigkeiten und rechnergesteuerter Zugversuch) Johannes Aegerter *, Hermann Bloching ** * Hydro Aluminium Deutschland GmbH, Bonn ** Zwick GmbH & Co, Ulm 1 Einleitung Zur Revision der bestehenden ISO 6892 metallische Werkstoffe Zugversuch bei Raumtemperatur [1] wurde von deutscher Seite 2003 ein Vorschlag eingereicht, der in dem Punkt "Prüfgeschwindigkeiten" auf den Ergebnissen der europäischen Arbeitsgruppe ECISS/TC1/SC1 basiert. Weitere Punkte des Vorschlages waren die Implementierung des Anhangs A "Empfehlungen für die Anwendung rechnerstützter Zugprüfmaschinen" der EN : 2001 [2] und eine deutliche Vereinfachung, Zusammenfassung und Kürzung der Anhänge J und K "Messunsicherheit" und "Ergebnisse von Ringversuchen". Auf der Sitzung des zuständigen ISO-Gremiums (ISO TC164/SC1) 2003 in Madrid wurde dieser Vorschlag als zu Komplex angesehen. Daher wurden Working Groups (WGs) gebildet, die die Themengebiete Prüfgeschwindigkeiten und den rechnergesteuerten Zugversuch (WG4) bzw. das Thema Messunsicherheit (WG5) nochmals überarbeiten sollen. Die Ergebnisse der WG4 werden hier kurz skizziert. 2 Ergebnisse der Arbeitsgruppe 2.1 Prüfgeschwindigkeiten In der Einleitung der bestehenden ISO 6892: 1998 wird bereits auf die Problematik der Prüfgeschwindigkeiten hingewiesen und der Verweis auf die nächste Revision, in der die Dehngeschwindigkeit als maßgebliche Geschwindigkeit und deren Regelung verwendet werden soll, hingewiesen. Versuche haben gezeigt, dass hier absoluter Handlungsbedarf besteht, da die Norm für die Prüfgeschwindigkeiten große Bereiche zulässt (Bild 1) und zusätzlich die Steifigkeit des Prüfaufbaus bei beginnender Plastifizierung des Werkstoffes die an der Probe vorhandene Dehngeschwindigkeit beeinflusst. Dieses führt bei Werkstoffen, die im Spannung-Dehnung-Verhalten sensibel auf die vorhandene Dehngeschwindigkeit reagieren, zu unterschiedlichen Spannung-Dehnung-Kurven und den hieraus abgeleiteten Kennwerten (Bild 2) [3, 4, 5]. Die Anwendung einer Dehngeschwindigkeitsregelung wurde in [3] und [4] ausführlich diskutiert und führt auch bei unterschiedlicher Steifigkeit des Prüfaufbaus zu vergleichbaren Ergebnissen (Bild 3). In der WG4 wurde der Vorschlag der Arbeitsgruppe ECISS/TC1/WG1 aufgegriffen und nochmals überarbeitet. In Kapitel "10.2 Prüfgeschwindigkeit (basierend auf dem Konzept der Dehngeschwindigkeit, empfohlen)" wird in einem Teil "Allgemeines" eine Einführung in die Thematik gegeben. Anschließend werden die Prüfgeschwindigkeitsbereiche, die zur Bestimmung der Kennwerte einzuhalten sind, spezifiziert (Bild 4) und Hinweise zur Realisierung gegeben. Für jeden Kennwert werden zwei Geschwindigkeitsbereiche mit je einer Toleranz von ± 20 % zugelassen, ein Bereich wird jeweils empfohlen. Für die obere Streckgrenze, Dehngrenzen, die Zugfestigkeit und die Bruchdehnung sind das jeweils die Bereiche mit höheren Dehngeschwindigkeiten. Um Sprünge

2 Dehngeschwindigkeit in s -1 Strain rate ε [s -1 ] R eh R p0.2 R el R m elast. plast. Phase Bild 1: Dehngeschwindigkeiten in verschiedenen Phasen des Zugversuchs (ISO 6892: 1998 bzw. EN , 2001), aus Spannungszunahmegeschwindigkeiten im elastischen Bereich berechnet (E-Modul Stahl: MPa, E-Modul Aluminium: MPa) Mittelwert und Spannweite aus 5 Versuchen dependent on the testing speed and the clamping system Stahl DC 05 AlMg1 beidseitig plattiert mit AlSi10 Rp0,2 in MPa Hydraulische Parallelspannköpfe Keilspannköpfe Stahl DC ,2 175,6 186,2 177,6 196,0 191,8 203,0 207, ,2 120,6 128,0 143, MPa/s 60 MPa/s 6 MPa/s 60 MPa/s 2 MPa/s 20 MPa/s Spannungszunahmegeschwindigkeit in MPa Bild 2: Dehngrenze R p0,2 in Abhängigkeit von der Spannungszunahmegeschwindigkeit (im el. Bereich) und der Steifigkeit des Prüfaufbaus bzw. eine Parallelverschiebung des Spannungsniveaus [4, 5] im Bereich der Streckgrenzendehnung zu vermeiden wird zur Bestimmung der unteren Streckgrenze die langsamere Dehngeschwindigkeit (Bereich 2) empfohlen. Zur Steigerung des Probendurchsatzes kann jedoch die Prüfgeschwindigkeit schon nach Erreichen von 0,25 % Dehnung nach der oberen Streckgrenze R eh auf die Dehngeschwindigkeiten der Bereiche 3 oder 4 gesteigert werden, wenn nicht die Streckgrenzendehnung bestimmt werden soll. Der nach dieser Versuchsführung bestimmte untere Streckgrenzenwert ist als Nominalwert anzusehen, diese Methode im Prüfprotokoll anzugeben.

3 160 Material: DC Mittelwert und Spannweiteaus 5 Versuchen Rp0,2 in MPa Hydraulische Parallelspannköpfe Keilspannköpfe 143,2 143,4 143, ,6 126,2 128,0 129,4 127, MPa/s 60 MPa/s 60 MPa/s (el. Ber.) + 0,0025s -1 (pl. Ber.) Prüfgeschwindigkeit 0,00025 s -1 (closed loop) Bild 3: Dehngrenze R p0,2 in Abhängigkeit von der Prüfgeschwindigkeit, der Regelart und der Steifigkeit des Prüfaufbaus Prüfgeschwindigkeiten (Kapitel 10.2): Bereich 1: 0, s -1 ± 20 % Bereich 2: 0, s -1 ± 20 % Bereich 3: 0,002 s -1 ± 20 % Bereich 4: 0,0067 s -1 ± 20 % (0,4 min -1 ± 20 %) 5 Dehngeschwindigkeitsgeregelt oder querhauptgeregelt 6 Querhauptgeregelt Schraffierte Bereiche ( a ): Bereich wird empfohlen Bild 4: Von der WG4 vorgeschlagene Prüfgeschwindigkeiten im Zugversuch Die Problematik älterer Prüfmaschinen, die nicht die Möglichkeit zur Dehngeschwindigkeitsregelung besitzen, wurde in der WG4 eingehend diskutiert. Entsprechend wird übergangsweise Kapitel "10.3 Prüfgeschwindigkeit (basierend auf dem Konzept der Spannungszunahmegeschwindigkeit)" eingefügt, der die alte Prüfmethode mit Modifikationen beschreibt. So soll nun die Einstellung einer konstanten Querhauptgeschwindigkeit zum Erreichen einer Spannungszunahmegeschwindigkeit nur noch bis 50 % der erwarteten Streck- bzw. Dehngrenzenwerten zulässig sein. Eine ähnliche Formulierung ist auch in der ASTM E8 zu finden. Diese Formulierung gibt jetzt Klarheit darüber, dass nicht spannungsgeregelt sondern mit konstanter Querhauptgeschwindigkeit zum Erreichen von Spannungszunahmegeschwindigkeiten gearbeitet wird. Zusätzlich wurde der

4 v C Steifigkeit des Prüfeinrichtung C: = C C M C P C M v M Steifigkeit des Prüfaufbaus C M : C M = f(maschinenrahmen, Kraftmessdose, Spannkopf,...) C P v P Steifigkeit des Probe C p C P = f(e-modul, Anfangsquerschnitt, Versuchslänge,...) Bild 5: Prinzipieller Aufbau einer Prüfmaschine (Modell einer Reihenschaltung von zwei Federn) Anhang F "Berechnung der Querhauptgeschwindigkeit unter Berücksichtigung der Nachgiebigkeit der Prüfmaschine" eingefügt, in dem eine Möglichkeit zur Berechnung der Querhauptgeschwindigkeit wiedergegeben wird (Formel 1)[7]. v ε& c m = ε& = m m * S ( C M 0 m* S /( C 0 vc M + L c + L c ) ) (1) (2) ε& : resultierende Dehngeschwindigkeit an der Probe m in s -1 v c : Querhauptgeschwindigkeit in mm s -1 m: Steigung der Spannung/Dehnung-Kurve in MPa im interessierenden Bereich z. B. von R p0,2 S o : Anfangsquerschnitt innerhalb der Versuchslänge in mm 2 L c : Versuchslänge in mm C M : Steifigkeit des Prüfaufbaus in N mm -1 (im interessierenden Bereich z. B. von R p0,2, wenn die Steifigkeit nicht linear verläuft z. B. bei Keilspannköpfen) Basis für diese Formel bildet das Modell einer Reihenschaltung zweier Federn (Bild 5). Mit Hilfe der Formel 2 lässt sich die sich einstellende Dehngeschwindigkeit während des Versuches berechnen. (Mit ihr lässt sich auch auf mathematischen Wege die Dehngeschwindigkeitssteigerung bei Beginn der Plastifizierung des Werkstoffes nachvollziehen.)

5 2.2 Rechnergestützter Zugversuch Der Anhang A der EN wurde im Wesendlichen komplett übernommen. So wurde neben einer redaktionellen Überarbeitung ein Beispiel zur Darstellung der Rohdatensätze gegeben. Die mögliche Ausgabe der Rohdaten (auf Bildschirm oder als ASCII-File) erschien der WG4 als besonders wichtig, da sie einerseits die Möglichkeit bietet, die Prüfgeschwindigkeiten nachträglich zu überprüfen (Zeit-Kanal), andererseits die durch die Software ermittelten Kennwerte nochmals zu berechnen (z. B. mit einem Tabellenkalkulationsprogramm). Die Formel zur Berechnung der minimalen Messwerterfassungsfrequenz f min wurde an die maßgebliche Prüfgeschwindigkeitseinheit 1/s angepasst, sowie der Wert für f min bei Bestimmung der Dehngrenze auf die Hälfte reduziert (Note 1 des Unterkapitels). Grundlage hierfür ist die Überlegung, dass bei der Dehngrenzenbestimmung bereits eine Plastifizierung des Werkstoffes stattgefunden hat (die Spannung-Dehnung-Kurve also flacher verläuft) und daher eine so hohe Datenerfassungsfrequenz wie zur Bestimmung der oberen Streckgrenze nicht notwenig erscheint. Eine Möglichkeit zur Bestimmung der Steigung der elastischen Geraden wird nun im Anhang konkret beschrieben: Durchführung einer linearen Regression der Spannung/Dehnung-Werte im linearen Bereich zwischen einer unteren Grenze: 10 % von R p0,2 einer oberen Grenze: 50 % von R p0,2 Um genauere Werte zu erhalten, ist die Übereinstimmung der so bestimmten elastischen Geraden mit der gemessenen Kurve zu überprüfen und gegebenenfalls mit anderen Grenzen neu zu berechnen [8]. Zur Validierung der Software stehen nun für verschiedene Werkstoffe Muster-ASCII-Files mit Rohdaten und den ausgewerteten Kennwerten zur Verfügung (WP2 des TENSTAND-Projekts). Diese Musterdateien können über das Internet heruntergeladen werden. Auf die Adresse sowie die Referenz zum Projekt wird in einer Note des entsprechenden Normenabschnittes hingewiesen. 2.3 Allgemeine Änderungen Der allgemeine Teil der Norm wurde in diversen Punkten ebenfalls von der WG4 überarbeitet. So sind einige Unterkapitel des Anhangs A der EN :2001 nicht zwingend vom Einsatz rechnergestützter Zugprüfmaschinen abhängig. Daher wurden einige Punkte in den allgemeinen Teil hineingenommen und aus dem Anhang A gestrichen. In der englischen Version wurde eine Klarstellung bei den Dehnungskennwerten A e, A g, A gt, A t hinsichtlich Elongation/Extension d. h. Bestimmung ohne/mit Dehnungsaufnehmer durchgeführt. Die Formulierungen werden in der deutschen Übersetzung noch zu diskutieren sein. Grundsätzlich wurde auch der Begriff "non-proportional" durch "plastic" ersetzt und damit dem Anwender sicherlich mehr Klarheit über die Bedeutung gegeben. Beispiel A g : " Percentage non-proportional extension at maximum force" "Percentage plastic extension at maximum force" Die Definition "Elastizitätsmodul E" wurde gestrichen und durch "Steigung der Spannung/Dehnung-Kurve im elastischem Bereich (mit Dehnungsaufnehmer gemessen) m e " eingeführt. Damit wird der Tatsache Rechnung getragen, dass eine E-Modul-Bestimmung nach dieser Norm nicht möglich ist, sondern vielmehr mit dem spezifizierten Prüfaufbau nur die Steigung der elastischen Gerade bestimmt werden kann, wie sie zur Bestimmung von Dehngrenzen bei plastischer Dehnung R p oder zur Bestimmung der plastischen Dehnung bei Höchstkraft A g (Subtraktion des elastischen Anteils) notwendig ist. Im Idealfall, d. h. bei Verwendung von hochauflösenden, pro

6 bennah positionierten, beidseitig messenden Dehnungsaufnehmer, perfekte Spannkopf- und Probenausrichtung, optimale Probenherstellung, kann der Wert der Steigung dem tatsächlichen E- Modul des Materials nahe kommen. Eine Neudefinition der Streckgrenzendehnung A e wurde ebenfalls eingefügt, da die alte Definition nicht hinreichend genau war, bzw. es zu unterschiedlichen Auslegungen kommen kann. Dementsprechend wurde auch eine neue Skizze eingefügt. Ähnliches gilt für die Bestimmung der Zugfestigkeit R m, wenn diese kleiner als die obere Streckgrenze R eh ist. 3 Zusammenfassung und Ausblick Eine grundlegende Überarbeitung der Norm ISO 6892 ist aufgrund verschiedener komplexer Zusammenhänge notwendig geworden. Die ISO TC164/SC1/WG4 wurde mit der Aufgabe betraut, einen Vorschlag zu den Schwerpunktthemen Prüfgeschwindigkeiten und deren Umsetzung im Versuch, sowie die Implementierung des rechnergesteuerten Zugversuches zu erarbeiten. Die wesentlichen Punkte der Ergebnisse der WG wurden hier kurz vorgestellt und bereits dem zuständigen ISO TC164/SC1 im Oktober 2004 präsentiert. Nach einer nochmaligen redaktionellen Überarbeitung wird der Vorschlag den ISO TC164/SC1-Mitgliedern als "Committee Draft" zur nationalen Stellungnahme weitergeleitet (bis Februar 2005). Je nach Art und Gewicht der nationalen Stellungnahmen wird eine dann nochmals überarbeitete Version dem ISO TC164/SC1 im Oktober 2005 als "Committee Draft" oder als ein "DIS"-Dokument (Vornorm) zur weiteren Diskussion vorgelegt. Ausschlaggebend für diesen Zeitplan ist natürlich auch der Fortschritt in der WG5 "Messunsicherheit". 4 Literatur [1] ISO 6892:1998, Metallic materials Tensile testing at ambient temperature, International Organisation for Standardization, Genève 20 [2] DIN EN : (2001), Metallische Werkstoffe, Zugversuch, Teil 1: Prüfverfahren bei Raumtemperatur, Beuth-Verlag Berlin, Dezember 2001 [3] J. Aegerter, H. Bloching, H.- M. Sonne, Einfluss der Prüfgeschwindigkeit auf die Streck- /Dehngrenze im Zugversuch nach DIN EN , Tagungsband der Tagung "Werkstoffprüfung 2000", DVM, S [4] J. Aegerter, H. Bloching, H.- M. Sonne, Influence of the Testing Speed of the Yield/Proof Strength, MP Materialprüfung 10 (2001), S [5] S. Ledworuski, H. Klingelhöffer, S. Brookes, T. May, Untersuchungen zum automatisierten Zugversuch für die Weiterentwicklung der Norm EN im Rahmen des Europäischen Forschungsprojektes TENSTAND, Tagungsband der Tagung "Werkstoffprüfung 2004" [6] ASTM E 8M 03, Standard Test Methods for Tension Testing of Metallic Materials [Metric], ASTM International, PA, United States, 2003 [7] H. Bloching, Interne Mitteilung zur Berechnung der notwendigen Querhauptgeschwindigkeit zum Erreichen von spezifizierten Spannungszunahmegeschwindigkeiten, Zwick GmbH & Co, Ulm, 2000 [8] J. Aegerter, S. Keller, D. Wieser, Prüfvorschrift zur Durchführung und Auswertung des Zugversuches für Al-Werkstoffe, Tagungsband der Tagung "Werkstoffprüfung 2003", Verlag Stahl-Eisen, S