Aus Lexikon der Kunststoffprüfung
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Aufschlagimpuls (Trägheitskraft)

Ursachen des Aufschlagimpulses

Das Auftreten eines durch die Massenträgheit hervorgerufenen Aufschlagimpulses (auch als Trägheitskraft bezeichnet), der dem tatsächlichen Verformungsverhalten überlagert ist, stellt in der Werkstoffprüfung bei dynamischen Beanspruchungen ein mess- und auswertetechnisches Problem dar. Auf Grund der großen Unterschiede im Dämpfungsverhalten ist die Schwingungsproblematik für Kunststoffe noch stärker ausgeprägt als für Metalle.
Bei der schlagartigen Einleitung der Beanspruchung während dynamischer (schlagartiger) Untersuchungen kommt es zu einer komplexen Reaktion des gesamten gekoppelten Systems, das sich aus den folgenden Komponenten

  • Reaktionskräfte des Prüfkörpers
  • Beschleunigungskräfte
  • Signalschwingungen durch Feder-Masse-Kräfte
  • Signalschwingungen durch reflektierte Körperschallwellen
  • hochfrequente Signalschwingungen durch nachgeschaltete Messelektronik

zusammensetzt.

Relation der Trägheitskraft zur Bruchkraft im IKBV

In einem elektronisch aufgezeichneten Kraft-Zeit- bzw. Kraft-Durchbiegungs-Diagramm im instrumentierten Kerbschlagbiegeversuch (IKBV) tritt infolge der Massenträgheit eine Reaktionskraft des Prüfkörpers auf, dessen Amplitude immer in Relation zur Bruchkraft (Kraft beim Einsetzen instabiler Rissausbreitung) betrachtet werden muss. Die auftretende Schwingung wird als Trägheitsschwingung bezeichnet. Der Aufschlagimpuls ist unabhängig vom a/W-Verhältnis (a – Kerbtiefe, W – Prüfkörperbreite) des Prüfkörpers, aber abhängig von Beanspruchungsparametern wie Geschwindigkeit und Temperatur.

Kriterium für die Festlegung des Beginns der instabilen Rissausbreitung

Entscheidend für die Festlegung des Beginns der instabilen Rissausbreitung ist, dass die maximale Schlagkraft Fmax

F_{max}\;>\;F_1

größer als der Aufschlagimpuls F1 sein muss. Zur Kontrolle dieser Gleichung lässt sich die Amplitude der Trägheitskraft nach der Gleichung

F_1\approx\frac{Z_1\,\cdot\,Z_2}{Z_1+Z_2} \cdot v_I
Z_{1{,}2}\,=\,c_{1{,}2} \cdot \rho_{1{,}2}

abschätzen, worin

Z1,2 spezifische Schallimpedanz des Prüfkörpers bzw. Pendelhammers
ρ1,2 Dichte des Prüfkörpers- bzw. Pendelhammerwerkstoffes
c1,2 Schallgeschwindigkeit des Prüfkörpers- bzw. Pendelhammerwerkstoffes
vI Hammergeschwindigkeit nach DIN EN ISO 13802

bedeuten.

Wenn die maximale Schlagkraft größer als der Aufschlagimpuls ist, können mit Hilfe statischer Auswerteformeln die bruchmechanischen Kenngrößen bestimmt werden.


Literaturhinweise

  • Grellmann, W.: Bewertung der Zähigkeitseigenschaften durch bruchmechanische Kennwerte, In: Schmiedel, H. (Hrsg.): Handbuch der Kunststoffprüfung. Carl Hanser Verlag, München Wien (1992), S. 139–183, (ISBN 3-446-16336-2; siehe AMK-Büchersammlung unter A 3)
  • Grellmann, W., Seidler, S.: Kunststoffprüfung. Carl Hanser Verlag, München (2015) 3. Auflage, S. 267–271 (ISBN 978-3-446-44350-1; siehe AMK-Büchersammlung unter A 18)
  • DIN EN ISO 13802 (2016-07): Kunststoffe – Verifizierung von Pendelschlagwerken – Charpy, Izod- und Schlagzugversuch