Extensometer / Dehnungsmesser

Wirkprinzip und Sinn unterschiedlicher Extensometer

 

Unterscheidung zwischen Anklemm Dehnungsmesser und Langwegdehnungsmesser (Tastarmdehnungsmesser)

 

Die Durchführung normkonformer Zugversuche nach z. B. ISO6892 / ISO527 erfordert die Nutzung eines Extensometers / Dehnungsmessers. Nur wenn diese zusätzliche Ausstattung genutzt wird lassen sich sicher und normkonform ein E-Modul und daraus resultierende Kenngrößen (bei Metallen: E-Modul + Dehngrenze Rp0,2 / Rp1,0 / Rp0,01 / Rt0,5; bei Kunststoffen: Streckspannung + Streckdehnung) ermittelten. Im Grundsatz unterscheidet man zwei Arten von (mechanischen) Extensometern


 

Anklemm - Geräte

geeignet zur Bestimmung des E-Moduls und Rp0,2 / Rp1,0 / Rp0,01 / Ae

Diese werden vor des Versuchs-Beginn an die Zugprobe geklemmt und besitzen einen meist einen begrenzten Messweg (typisch: < 2 mm, teilweise 12,5 / 20 / 25 mm). Diese Art der Extensometer werden nach der Ermittlung der Schädigungsgrenzen Reh / Rp0.2 und während dem laufenden Versuch abgenommen. Bei diesen Geräten handelt es sich im Prinzip nicht um einen Dehnungsmesser (Verlängerungsmessung) sondern um ein E-Modul- und Rp0.2 - Auswertegerät. Da diese Extensometer nur einen begrenzten Messweg besitzen wird im Sinne des Wortes eine Dehnung nicht erfasst.

Um eine Dehnung normkonform ermitteln zu können muss eine Metallzugprobe vor dem Versuch in Rastern bzw. dem Lo markiert werden. Nach dem Zugversuch wird die gebrochene Probe zusammengefügt und die Verlängerung Lu gemessen.

Bei einem Zugversuch an Kunststoffen kann dieser Typ Dehnungsmesser im Prinzip nicht verwendet werden da eine Kunststoff-Zugprobe einen wesentlich höheren elastischen Anteil besitzt. Gemäß den typischen Normen wird die Dehnung bis zum Bruch mittels Langwegdehnungsmesser und unter Einbeziehung des elastischen Anteils ermittelt. 
Eine Ausnahme bilden hier aber z. B. Faserverstärkten Kunststoffe: Kohlefaser-Verbund-Kunststoffe CFK und Glas-Faserverbund-Kunststoff GFK da hier der Bruch bei <2% Gesamtdehnung erfolgt. Sofern der solideste Anklemm-Extensometer gewählt wird kann dieser meist ohne Schädigung bis zum Bruch an der Probe verbleiben. Bei diesen gering dehnfähigen Werkstoffen ist also entgegen der Grundsätzlichen Aussage zu diesem Typ doch die Erfassung der Bruchdehnung möglich.

Tastarm - Dehnungsmesser / Extensometer

Langweg-Dehnungsmesser zur Erfassung der Bruchdehnung

Diese Geräte besitzen eine ähnlich hohe Messauflösung wie Anklemmdehnungsmesser (1 µm oder gar 0,1 µm) und verbleiben wesentlich länger an der Probe. Je nach Spannzeug verbleiben diese Messgeräte bis nach Überschreitung von Ag oder sogar bis zum Bruch an der Probe. Diese Art der Dehnungsmesser sind wegen dem hohen verfügbaren Messweg in der Lage auch die Bruchdehnung zu ermitteln. Für die Prüfung von Zugproben besteht oft der Wunsch bzw. herrscht die Vorstellung vor, dass ein Dehnungsmesser bis zu Bruch an der Probe verbleiben soll um ein Bruchdehnung exakt messen zu können. Dies ist aber nicht erforderlich oder sinnvoll. Von einigen Herstellern (GALDABINI und einige Marktbegleiter) werden Dehnungsmesser angeboten für die die Aussage getroffen wird (sinngemäß): "Geeignet zur Bruchdehnungs-Messung - zum Verbleib an der Probe bis zum Bruch)".

Der Verbleib der Tastarme an der Probe ist vom Typ der Zugprüfmaschine und der Art des Spannzeugs abhängig

Bei einer hydraulischen Zugprüfmaschine mit Plungerkolben ist der Verbleib der Tastarme bis zum Bruch im Grundsatz nie möglich: Sobald eine Zugprobe bricht (insbesondere wenn nur geringe Dehnungen erreicht wurden und die Probe sich kaum / nicht einschnürt) wird die in der Probe gespeicherte Energie schlagartig frei. Dies führt dazu dass der Plungerkolben mit hoher Geschwindigkeit verfährt und die Tastarme mitgerissen werden. Es ist eine Frage der Zeit bis das der Tastarm-Extensometer zerstört ist. Zudem besitzt eine ältere Zugprüfmaschine meist nur ein Keilspannzeug das die Zugprobe nach dem Zugversuch nicht mehr fixiert - die Zugprobe fällt heraus oder wird sogar fortgeschleudert. Auch diese beschleunigt den noch kontaktierenden Dehnungsmesser derart, dass mindestens die Schneiden vorzeitig stumpf werden. Eine Schädigung kann ebenfalls nicht ausgeschlossen werden.

 

Weiterhin muss die Zugprobe durch ein geeignetes Spannzeug beim / nach dem Bruch sicher auf Position gehalten werden.
Dies wird im Allgemeinen nur erreicht mit:

  • (kostenintensivem) hydraulischem Spannzeug
  • sonstigen starren Einspannungen

Bei diesen geeigneten, starren Einspannungen kann es sich handeln z. B. um Spannzeuge für

Diese Spannmittel müssen mit einer Kontermutter / einem pneumatisch betätigten Stößel die Probe bei Probenbruch in der Position fixieren. Zudem darf das Querhaupt der Maschine nicht stark beschleunigen (dies schließt hydraulische Prüfmaschinen mit Plungerkolben aus / moderne hydraulische Universalprüfmaschinen mit Doppelkolben - Kolbenseite A + B - sind geeignet).

Erhöhter Verschleiß der Schneiden (Tastarme geklemmt bis Probenbruch)

Sofern die Messung mittels Extensometer bis zum Bruch erfolgen soll, ist mit einem höheren Verschleiß der Schneiden des Dehnungsmessers zu rechnen. Ein Verschleiß kann bereits nach wenigen Versuchen einsetzen. Dieser Verschleiß ist unvermeidbar, da die Probe im Versuch sowohl plastisch als auch elastisch verformt wird...

Bricht die Probe am Ende des Versuchs, so entspannt sich der elastische Anteil innerhalb eines Bruchteiles einer Sekunde. Die Probe wird in beiden Richtungen unter den Schneiden der Dehnungsmesser hinweg stark beschleunigt. Dieser Rückzug / Entspannung (bei Stahl üblicherweise ca. 0,3 % der Gesamtdehnung) erfolgt so schnell, dass es vollkommen ausgeschlossen ist, die Arme des Dehnungsmessers vorher (bezogen auf das Bruchereignis) zu öffnen. Daher "schießt" die Probe an den klemmenden Schneiden vorbei und wird diese mehr und mehr abstumpfen.
 

Weshalb ist es sinnvoll und für die Messergebnisse unschädlich den Dehnungsmessers nach Ag zu öffnen?

Die Dehnung setzt sich (bei Stahl) insgesamt aus 3 Teilen zusammen:
a.) dem elastischen Anteil (zieht sich nach dem Bruch wieder zusammen)
b.) der Dehnung bis zum Kraftmaximum (alle parallelen Bereiche dehnen gleichmäßig = Gleichmaßdehnung Ag + Agt)
c.) Dehnung im Einschnürungsbereich Z (ab Rm erfolgt eine Dehnung nur im Fließbereich "Z")

Bei dem elastischen Anteil (Dehnung) handelt es sich letztlich um gespeicherte Energie (ähnlich einer gespannten Feder), die bei Probenbruch entladen wird. Erfolgt ein Probenbruch ohne jegliche Einschnürung so geschieht dies explosionsartig. Typisch ist dies z. B. bei Gusswerkstoffen (Grauguss, Aluminiumguss) oder gehärteten Material sowie Glasfaser-Kunststoffen GFK. Bei diesen Werkstoffen beträgt die Bruchdehnung nur oft nur ca. <2 %. Diese Werkstoffe schnüren nicht ein (Z). Daher erfolgt kein Absinken der Kraft. Bei diesen Proben ist der Schock auf den Dehnungsmesser meist extrem.

Daher wird für diese Proben grundsätzlich von einem Tastarmdehnungsmesser abgeraten. Hier ist z. B. ein Anklemm-Dehnungsmesser meist besser geeignet. Der Dehnungsmesser Typen STRAIN 25 - 50 ist hier das zu bevorzugende Gerät. Dieser kann eine Bruchdehnung bis ca. 2 mm Messweg erfassen (auf Anforderung 3 mm). Es ist vom Hersteller offiziell nicht dafür freigegeben - wir wissen aber von vielen Kunden (und von diesem Hersteller), dass dieser spezielle Dehnungsmesser bis zum Bruch (2 oder 3 % Dehnung) an der Probe belassen wird ohne Schaden zu nehmen. Voraussetzung ist aber auch hier, dass die Probe nicht stark beschleunigt / die Probe vom Spannzeug nicht losgelassen wird (fixierte Probe) und der nur angeklemmte Dehnungsmesser durch den Schlag nicht herunterfällt und auf das Maschinenbett fällt. Ein Herunterfallen kann durch eine Sicherung (kleine Kette) erfolgen.

Tastarmgeräte: Wegen der Sensibilität gilt allgemein die Empfehlung:

Die Tastarme sollten vor dem Bruch geöffnet werden

Dies ist ohne Verfälschung der Dehnungswerte möglich. Dabei ist jedoch zu beachten, dass die Messarme erst (deutlich) nach Ag geöffnet werden sollen.

Warum werden die Dehnungsergebnisse nach dem Öffnen des Dehnungsmessers trotzdem genau ermittelt?
Dies erklärt sich aus der Möglichkeit der unterschiedlichen Erfassung und Kombination von Messwerten unterschiedlicher Geber (Dehnungsmesser / Traversenweg) und deren differenten Auswertung: Bis zur maximalen Kraft dehnt sich eine Probe im gesamten parallelen Bereich gleichmäßig. Da aber die Dehnung nicht auf den gesamten parallelen Bereich (Lc) sondern auf die Ausgangslänge (Lo der  Probe) bezogen werden muss, ist hierfür der Verbleib des Dehnungsmessers bis Ag (Gleichmaßdehnung des gesamten parallelen Bereichs) unabdingbar notwendig.

Nachdem die maximalen Kraft (Fm bzw. Messgröße Rm) überschritten ist beginnt sich die Probe langsam und stetig einzuschnüren (Z). Jegliche Verlängerung der Probe erfolgt nun ausschließlich im Fließbereich (der dann schwächsten Stelle und der späterer Bruchstelle).

Zahlreiche Versuche beim Hersteller GALDABINI haben diese Vorgehensweise bestätigt: Es ist unerheblich (wenn feststeht, dass Ag überschritten ist) welches Mess-System diese Verlängerung erfasst. Dies kann durch den Dehnungsmesser erfolgen oder alternativ über das Traversenweg-Mess-System der Zugprüfmaschine. Nachfolgend eine veranschaulichende Skizze: Ab Rm beginnt der Fließbereich. Der Dehnungsmesser sollte nicht zu früh geöffnet werden sondern erst sobald der Spannungsgradient deutlich negativ wird.

Wann kann ein Verbleib an der Probe fehlerhafte Ergebnisse verursachen?

In einigen Fällen erfolgen die Einschnürung und der Bruch an der Probe nicht exakt in der Mitte sondern in der Nähe der Probenköpfe. In extremen Fällen erfolgt dieser sogar außerhalb der Schneiden des Dehnungsmessers… (außerhalb Lo bzw. Schneiden-Abstand Le). Sofern der Bruch nahe der Schneiden erfolgt "unterfließt" ein Teil der Dehnung die Extensometer-Schneiden. Sofern der Bruch außerhalb der Schneiden erfolgt geht die gesamte Dehnung nach Ag verloren.

- In der gezeigten Grafik erfolgt die Dehnungsmessung bis Fm (Rm) gleichmäßig (Gleichmaßdehnung Ag bzw. Agt innerhalb Lc bzw. Lv).
- Ab dem Kraftmaximum erfolgte die weitere Dehnung außerhalb das Dehnungsmessers: Der Graph erfährt keine weitere Verlängerung und fällt unmittelbar nach Ag / Rm senkrecht ab. In der Grafik ist sogar erkennbar, dass dieser rückwärts verläuft (der Abgriff innerhalb der Schneiden zieht sich elastisch zusammen).
Dieser Versuch ist zu verwerfen (Reh/Rp0,2 und Rm können genutzt werden / die Bruch-Dehnung A könnte nur manuell gemessen werden. Wären in diesem Fall die Arme des Dehnungsmessers nach dem Überschreiten von Ag geöffnet worden (Kanalumschaltung auf den Traversenweg) wäre die Dehnung ab Rm im Einschnürungsbereich aufgezeichnet worden. Wo dieser Einschnürungsbereich liegt ist dann unerheblich. Der Versuch hätte vermutlich als gültig bewertet werden können ...

Ist das Ergebnis der Bruch-Dehnung ein wesentliches Kriterium eines Zugversuchs?

Richtig ist, dass die Dehnung als Versuchsergebnis der ISO6892-1 genannt und deren Berechnung exakt beschrieben wird. Würde eine Konstruktion bzw. die Statik eines Bauteils auf der Basis von Bruchdehnungs-Ergebnissen beruhen müsste sich der Konstrukteur auf Werte verlassen die lange hinter der ersten Schädigungsgrenze des Materials ermittelt werden. Daher ist in der Praxis die Dehnung "nur" ein Indikator für die allgemeine Dehnfähigkeit von Werkstoffen. Das wesentlichste Element eines jeden Metallzugversuchs ist daher die Schädigungsgrenze (Reh oder Dehngrenze Rp0.2). Auf dieser Basis kann der Konstrukteur kalkulieren bis zu welcher Belastung das Material belastet werden kann ohne dass eine Schädigung erfolgt.

Einzig bei einem Umformprozess ist die Dehnung ein wesentliches Kriterium. Aber auch hier ist nicht die Bruchdehnung A als gut / schlecht-Kriterium erforderlich sondern der Wert Ag: Bis zu welcher Dehnung kann ein Material (z. B. Tiefziehblech) gedehnt werden ohne das eine partielle, ungewollte Dehnung erfolgt. Eine Dehnung in einem Teilbereich würde das Werkstück an dieser Stelle schwächen und z. B. die Wandstärke eines Autoblechs unter Toleranz absinken lassen. Die Ergebnisse der Bruchdehnung werden daher (sofern man nur den Zahlenwerten folgt) oft überbewertet. Einziges Ziel ist dann die Mindestanforderungen einer Stahlgüte in Bezug auf die Bruchdehnung zu erfüllen. Bedenken Sie bitte, dass die ISO6892-1 eine Rundung der Dehnungswerte auf 0,5% vorsieht...

 

 

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