Zugprobe

Vorlage:Infobox DIN Eine Zugprobe ist das Versuchsstück / Teststück der Werkstoffprüfung für einen Zugversuch. Damit wird insbesondere die Zugfestigkeit, aber auch die erste Schädigung (Streckgrenze oder Dehnrenze) sowie das Dehnverhalten von Werkstoffen ermittelt.

Die Zugproben sind für verschiedene Werkstoffe und Materialien definiert in der DIN 50125 sowie in der DIN EN ISO 6892-1 (Metallische Werkstoffe –Zugversuch).

Für die Bruchdehnung $A$ werden nach Norm Proportionalstäbe (festes Vielfaches der Probenmesslänge L₀ zum Durchmesser d) verwendet. Der Proportionalitätsfaktor der Stabform wird im Formelzeichen für die Bruchdehnung als Index angegeben (A₅ bzw. A₁₀); weichen die Proben von den normierten Formen ab, so wird stattdessen die Messlänge indiziert.

DIN 50125 definiert Proben mit folgenden Querschnittsformen:

• kreisförmig (Form A, B, C, D)
• rechteckig (Form E)
• Proben von Flacherzeugnissen (Form H, Bruchdehnung A₅₀ bzw. A₈₀).

Die Zugprobe wird für einen Zugversuch je nach Norm als Schulter-, Rund- oder Stabprobe hergestellt. Um Kerbwirkung und damit ein Verfälschen des Ergebnisses zu vermeiden, wird die Oberfläche des Prüflings feinstgedreht oder sogar poliert. Die Messlänge steht in einem definierten Verhältnis zum Durchmesser. Aufgrund der Querschnittsfläche $S_{0}$ der Probe kann die Spannung errechnet werden, diese wird in einem Spannungs-Dehnungs-Diagramm dargestellt und ausgewertet (Formelzeichen der Fläche hier S, um eine Verwechselung mit der Bruchdehnung zu vermeiden).

Probenform

In der Regel sind die Probenköpfe, an den Enden der Probe, breiter als im Bereich der parallelen Länge. Der Übergangsradius zwischen den unterschiedlich breiten Probenteilen sollte hierbei 20 mm nicht unterschreiten.

Durch die DIN EN ISO 6892-1 lässt sich generell sagen, dass die Kopfbreite mindestens dem ein- bis zweifachen der Anfangsbreite entsprechen sollte. Genaue Informationen hierzu findet man im Folgenden unter Probenmaße.

Probenmaße

Laut DIN EN ISO 6892-1:

1. Parallele Länge: > L₀ + b₀/2 (L₀ = Anfangsmesslänge; b₀ = Anfangsbreite)
2. In Schiedsfällen: = L₀ + 2 b₀ (insofern ausreichend Werkstoff vorhanden ist)
3. Bei Streifenproben mit einer Breite < 20 mm muss L₀ = 50 mm
   • In diesem Fall muss die freie Länge zwischen den Einspannungen gleich L₀ + 3 b₀ sein

Probenherstellung

Bei der Herstellung der Proben dürfen die Werkstoffeigenschaften nicht beeinflusst werden. Das bedeutet, dass alle Bereiche, die bei der Herstellung durch Verfahren wie dem Schneiden oder Stanzen kaltverfestigt wurden, bearbeitet werden müssen. Hierbei gilt zu beachten, dass die Walzoberflächen keinen Schaden nehmen darf.

Durch Herstellungsverfahren wie dem Stanzen können deutliche Änderungen in den Werkstoffeigenschaften herbei geführt werden. Speziell die Streck-/ Dehngrenzen können beeinflusst werden.

Laut DIN EN ISO 6892- 1 ist es enorm wichtig, dass stark verfestigende Werkstoffe grundsätzlich durch Fräsen oder idealerweise durch Schleifen endbearbeitet werden.

Bei besonders dünnen Werkstoffen wird geraten, Streifen der gleichen Breite als Bündel zu bearbeiten. Zusätzlich können dickere Deckbleche für Stabilität sorgen.

Verfahren zur Probenherstellung von Flach-Zugproben

Nach DIN EN ISO 6892-1 hat sich die Herstellung durch Stanzen der Zugproben und Weiterverarbeitung durch eine Probenschleifmaschine bewährt.

Prozess:

1. Zunächst wird die Zugprobe durch eine dafür optimierte Maschine gestanzt. Dieser Vorgang dauert von der Blechplatte bis zum Rohling inkl. Einlegen und Entnehmen ungefähr 10 Sekunden.
2. Im Folgenden wird ein Stapel der Proben in die Halterung einer Probenschleifmaschine gelegt. Maschine dieser Art schleifen die Proben innerhalb von 30-60 Sekunden, sodass diese im Anschluss direkt für den Zugversuch genutzt werden kann.

Grenzen des Prozesses:

1. Durch hochentwickelte Maschinen sind heutzutage Blechdicken von bis zu 10 mm stanz- und schleifbar.
2. Die Grenzen liegen bei einem Verhältnis von 1,5 : 1 (Breite zu Dicke) der Bleche.
3. Eine Schädigung der Bleche bei einer Erhitzung von über 120° C kann durch die Nutzung spezieller Schleifbänder ausgeschlossen werden.

Alternative Verfahren zur Trennung von Metall eignen sich unterschiedlich gut. Im Folgenden werden die Vor- und Nachteile dieser Verfahren aufgezeigt.

Hochdruck-Wasserstrahlschneiden (Water-Jet-Cutting)

Vorteile Wasserstrahl-Schneiden

• schneidet alle Materialien
• Verarbeitung von Blechen über 10 mm Dicke

Nachteile Wasserstrahl-Schneiden

• teilweise extrem lange Bearbeitungszeiten
• für die Bedienung der Anlage ist qualifiziertes Fachpersonal erforderlich
• Stahlproben können korrodieren (sofern keine Rostschutzemulsion verwendet wird)
• dem Wasserstrahl werden Schneidpartikel beigegeben die zusammen mit dem entfernten Material einen Metallschlamm bilden der aufwendig entsorgt werden muss
• es können nur hochwertige Wasserstrahl-Schneider verwendet werden bei denen der Schneidkopf geneigt werden kann um eine Konizität der Flanken zu vermeiden
• die bearbeitete Kante erreicht schwerlich die in der Norm geforderte Güte von 6,3Rz (DIN 50125 - Zeichnungen der Proben)

Laserstrahl-Schneiden von Zugproben

Vorteile Laserstrahl-Schneiden

• universell, schneidet alle Metalle
• Verarbeitung harter Bleche mit hoher Festigkeit > 1.700 MPa möglich

Nachteile Laserstrahl-Schneiden

• hohe Investitionskosten
• die Probe muss nach der Herstellung nachbearbeitet werden, da durch die thermische Bearbeitung mit dem Laser eine hitzegeschädigte Wärmezone entsteht, die die Ergebnisse verfälscht. Der Wärmeeintrag erfolgt in Abhängigkeit zur Dicke und kann daher nur für Bleche bis ca. 3,0 mm verwendet werden - Wärmeeinfluss / Schmelzkante bis ca. 0,4 mm je Seite

Konventionelles Fräsen mit Handsteuerung

Vorteil konventionelles Fräsen

• geringe Investitionskosten da gebrauchte Ausstattung angeschafft werden kann

Nachteil konventionelles Fräsen

• der Vorteile der günstigen Anschaffung wird durch die Personalkosten schnell aufgebraucht
• präzise Proben können nur mit erhöhtem Aufwand hergestellt werden

CNC-gesteuerte Fräse

Vorteil CNC-Fräsen

• flexible Nutzung auch für unterschiedliche Probenformen

Nachteil CNC-Fräsen

• hohe Investitionskosten
• lange Herstellungsdauer
• für die Bedienung der Anlage ist Fachpersonal erforderlich
• einige Materialien sind nicht fräsbar da auch geringste Kanten-Verdichtungen (Kaltverfestigung) auch mit neuen Fräsern nicht ausgeschlossen werden kann
• Mangan-Stähle (verwendet beim Formhärten / Presshärten) können wegen der extremen Zähigkeit nicht gefräst werden - die Schärfe der Fräser nimmt bereits nach wenigen Fräsungen rapide ab

Nibbelmaschine

Vorteil Nibbelmaschine

• schnelle Probenherstellung

Nachteil Nibbelmaschine

• hohe Investitionskosten
• die Kanten müssen, wie beim Stanzen, nachgearbeitet werden
• es kommt (je nach Blechdicke) zum Flattern des Bleches (für unterschiedliche Blechdicken ungeeignet)

Probenstanzen + Probenschleifmaschine

Vorteil Stanz- + Schleiftechnik

• schnelle Probenherstellung: Stanzen 10 Sekunden / Schleifen (mehrerer Proben) 30 - 60 Sekunden
• geringe Betriebskosten
• automatisierbar

Nachteil Stanz- + Schleiftechnik

• bei wenigen Proben unwirtschaftlich (Investitionskosten Stanze, Stanzwerkzeuge, Probenschleifmaschine)
• Automatisierung kostenintensiv

Unter Betrachtung der ISO 6892-1 und der DIN 50125 lässt sich der zu Anfang vorgestellte Prozess (Probenstanzen + Probenschleifmaschine) als am vorteilhaftesten beschreiben.

Berechnung der Querschnittsfläche

• Quader (Form E) oder Flachprobe (Form H):

$S_{0}=a\cdot b$

mit Dicke a, Breite b

• Rundprobe (Form A, B, C, D):

$S_{0}={\frac {\pi }{4}}d^{2}$

mit Durchmesser d

• massenbezogen (bei besonderen Probenformen):

$S_{0}={\frac {m}{\rho \cdot l}}$

mit Masse m, Dichte ρ, Länge l

• Rohr:

${\begin{aligned}S_{0}&={\frac {\pi }{4}}\left(d_{\rm {a}}^{2}-d_{\rm {i}}^{2}\right)\\&=\pi \left(d_{\rm {a}}d_{\rm {w}}-d_{\rm {w}}^{2}\right)\end{aligned}}$

mit Außendurchmesser d_a, Innendurchmesser d_i, Wandstärke d_w

• Garn:

$S_{0}={\frac {Titer}{\rho }}$

mit dem Titer (längenbezogene Masse).

Weblinks

• ISO 6892-1 (Metallische Werkstoffe –Zugversuch)
• EN ISO 6892-1:2016
• DIN EN ISO 377
• DIN 50125:2016-12 (Prüfung metallischer Werkstoffe - Zugproben)
• M. Hörbinger. (2015). Wasserstrahlschneiden: Verfahrensmöglichkeiten und Vergleich mit alternativen Industriellen Trennverfahren. Hamburg. Bachelor + Master Publishing.
• A. Fritz, G. Schulze. (2010). Fertigungstechnik. 9. Auflage. Berlin. Springer Verlag. S.386 - 393
• F. Klocke, W. König. (2007). Fertigungsverfahren 3.Berlin. Springer Verlag.