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IKBV Grenzen bruchmechanischer Bewertung

Anforderungen an die Beanspruchungsbedingungen

Für den Einsatz des instrumentierten Kerbschlagbiegeversuches zur Lösung von Fragestellungen in der Werkstoffentwicklung und -optimierung müssen die Beanspruchungsbedingungen so angepasst werden, dass möglichst viele Kunststoffe und Verbundwerkstoffe unter exakt den gleichen Beanspruchungs- bzw. Prüfbedingungen beurteilt werden [1].

Von besonderer Bedeutung ist die Kenntnis der Zusammenhänge zwischen einzelnen Beanspruchungsbedingungen im Hinblick auf eine Standardisierung der Methode mit der Zielstellung einer bruchmechanischen Charakterisierung der Zähigkeit [2, 3].

Einfluss der Kerbtiefe, der Pendelhammergeschwindigkeit und der Stützweite

Dabei muss neben dem Einfluss der Kerbtiefe (siehe auch: J-Integral Auswertemethoden) und der Pendelhammergeschwindigkeit vH (siehe: IKBV Einfluss Hammergeschwindigkeit) auf die Form der Schlagkraft (F)-Durchbiegungs (f)-Diagramme und das Werkstoffverhalten muss noch der Einfluss der Stützweite der Prüfkörperauflager auf die Messgrößen beachtet werden.

Während für Polypropylen im gesamten a/W- und s/W-Bereich für vH = 1ms-1 in [1] bruchmechanisch auswertbare F-f-Diagramme erhalten wurden, wird für eine Vielzahl von Werkstoffen, insbesondere hochschlagzähe Polymerwerkstoffe und modifizierte, d. h. gefüllte und verstärkte Polymerwerkstoffe, in Abhängigkeit von der Werkstoffstruktur eine Grenze der bruchmechanischen Bewertungsmöglichkeit bereits bei Raumtemperatur erreicht. Dabei kann auch eine höhere elektronische Verstärkung keine Werkstoffaussage liefern, da die maximale Schlagkraft im Vergleich mit der überlagerten Schwingung zu klein ist (vgl. IKBV Experimentelle Bedingungen). Ein weiteres Problem besteht für die gefüllten und verstärkten Kunststoffe darin, dass häufig keine instabile Rissausbreitung auftritt.

Zur Ableitung der allgemeinen Zusammenhänge wurden in [1] zwei Werkstoffbeispiele für chloriertes PVC (Kurzzeichen: PVC-C) und Polyamid 6 (Kurzzeichen: PA 6) erläutert. In Bild 1 werden die F-f-Diagramme für ausgewählte a/W- und s/W-Verhältnisse bei einer möglichst niedrigen Pendelhammergeschwindigkeit (vH = 0,5 ms-1) bei Raumtemperatur dargestellt.

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Bild 1: Grenze der bruchmechanischen Bewertungsmöglichkeit für chloriertes PVC (Kurzzeichen: PVC-C) (RT; vH = 0,5 ms-1)

In Bild 2 werden die im instrumentierten Kerbschlagbiegeversuch registrierten F-f-Diagramme für Polyamid 6 (Kurzzeichen: PA6) für verschiedene a/W- und s/W-Verhältnisse bei einer Pendelhammergeschwindigkeit von vH = 0,5 ms-1 bei T = 273 K gezeigt.

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Bild 2: Grenze der bruchmechanischen Bewertungsmöglichkeit der Schlagkraft-Durchbiegungs-Diagramme von Polyamid 6 (Kurzzeichen: PA 6) bei Variation des a/W- und s/W-Verhältnisses

Grenzen der bruchmechanischen Bewertungsmöglichkeit

Aus den dargestellten Beispielen wird deutlich:


1. die maximale Schlagkraft Fmax nimmt mit zunehmendem a/W und s/W ab

2. die Trägheitskraft F1 ist unabhängig von a/W und s/W

3. die Periode der Trägheitsschwingung τ nimmt mit zunehmendem s/W zu

4. mit zunehmendem a/W und s/W wird die Beziehung Fmax > F1 immer schlechter erfüllbar und gleichzeitig wird die bessere Erfüllung der Beziehung tB > 2,3…3τ bedeutungslos.


Während für PVC-C die Grenze der bruchmechanischen Auswertbarkeit der Diagramme bei a/W = 0,45 und s/W = 7 erreicht wird, liegt diese z. B. für den PA 6-Werkstoff bereits bei niedrigeren Beanspruchungsbedingungen (T = 273 K; vH = 0,5 ms-1; a/W = 0,45; s/W = 6).

Optimierung der Signalform für eine bruchmechanische Auswertung

Hinsichtlich der Gewinnung von optimalen Signalformen für eine bruchmechanische Auswertung unter Einhaltung der unter IKBV Experimentelle Bedingungen formulierten Kontrollbedingungen nach Gl. (1) bis Gl. (3) für den instrumentierten Kerbschlagbiegeversuch leitet sich aus den dargestellten Ergebnissen die Forderung nach s/W = 4, einem niedrigen a/W-Verhältnis und einer niedrigen Pendelhammergeschwindigkeit ab. Damit erhält man für eine Vielzahl von Anwendungsfällen allgemein verwendbare Beanspruchungsbedingungen, wenn der Nachweis der Anwendbarkeit der bruchmechanischen Konzepte zur Beschreibung der Zähigkeit auch für kleine a/W-Verhältnisse erbracht wird. Ein weiterer Vorteil der Verwendung niedriger Auflagerabstände der Widerlager liegt in der Einengung der Möglichkeiten des Durchziehens der Prüfkörper. Dies ist besonders für hochschlagzähe Kunststoffe von Bedeutung, die naturgemäß hohe Durchbiegungen aufweisen.


Literaturhinweise

[1] Grellmann, W.: Beurteilung der Zähigkeitseigenschaften von Polymerwerkstoffen durch bruchmechanische Kennwerte. Habilitation (1986), Technische Hochschule Merseburg, Wiss. Zeitschrift TH Merseburg 28 (1986), H. 6, S. 787–788 (Inhaltsverzeichnis, Kurzfassung)
[2] DIN EN ISO 179-2 (2012-06): Kunststoffe ‒ Bestimmung der Charpy-Schlageigenschaften ‒ Teil 2: Instrumentierte Schlagzähigkeitsprüfung
[3] MPK-Prozedur MPK-IKBV (2016-08): Prüfung von Kunststoffen – Instrumentierter Kerbschlagbiegeversuch: Prozedur zur Ermittlung des Risswiderstandsverhaltens aus dem instrumentierten Kerbschlagbiegeversuch