Kerbempfindlichkeit

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Kerbempfindlichkeit

Inhaltsverzeichnis

Allgemeines

Die Schlagzähigkeit, ermittelt an ungekerbten, und die Kerbschlagzähigkeit, ermittelt an gekerbten Prüfkörpern eines Kunststoffes, sind für die Bewertung der Zähigkeit von Bauteilen von besonderer technischer Relevanz (siehe: Schlagbeanspruchung Kunststoffe). Das Anforderungsprofil für ein Bauteil, wie z. B. das mechanische Beanspruchungsniveau, die geometrische Gestaltung, Maßgenauigkeit sowie thermische und mediale Belastungen lassen sich im Regelfall ziemlich genau festlegen. Dem gegenüber ist das Eigenschaftsprofil des Kunststoffes in einem konkreten Bauteil von einer Vielzahl von Einzelfaktoren abhängig. Eine wichtige Eigenschaft ist die Kerbempfindlichkeit des Kunststoffes, die im Falle des Auftretens von konstruktiv bedingten Kerben (scharfkantige Querschnittsübergänge, Rippen, Kanten, Aussparungen usw.) das Deformations- und Bruchverhalten entscheidend beeinflusst.

Definition der Kerbempfindlichkeit

Zur Ermittlung der CHARPY-Kerbschlagzähigkeit wird der gekerbte Prüfkörper mittig so auf dem Widerlager positioniert, dass sich der Kerb auf der Zugseite befindet (siehe auch Kerbgeometrie). Der Schlag erfolgt demzufolge auf die dem Kerb gegenüber liegende Seite. Die CHARPY-Kerbschlagzähigkeit acN wird aus der verbrauchten Schlagarbeit Wc, bezogen auf den kleinsten Ausgangsquerschnitt des Prüfkörpers am Kerbgrund, ermittelt:

a_{cN}\,=\,\frac{W_c}{b_N\cdot h}

mit

bN Breite des Prüfkörpers unter dem Kerb und h = Prüfkörperdicke

Der Unterschied zwischen der Schlagzähigkeit acU und der Kerbschlagzähigkeit acN gibt Aufschluss über die Empfindlichkeit eines Kunststoffes gegenüber äußeren Kerben, berücksichtigt also die Problematik der Kerbwirkung für die Schlagbiegeprüfung und gibt eine Information über die Wirksamkeit von Füllstoffen. Aus diesem Grund ist es möglich, aus dem Quotienten aus acN und acU eine Kerbempfindlichkeit zu berechnen:

k_Z\,=\,\frac{a_{cN}}{a_{cU}}\cdot 100 \ %

Einfluss des Kerbradius auf die Kerbschlagzähigkeit

Die Kerbschlagzähigkeit wird in entscheidendem Maße durch den gewählten Kerbradius (siehe: Kerbgeometrie) und das Verfahren der Kerbeinbringung (Sägen, Fräsen, Hobeln) beeinflusst. Neben den Bearbeitungsverfahren selbst haben auch die jeweiligen Maschinenparameter, wie Vorschub- oder Schnittgeschwindigkeit, einen Einfluss auf die ermittelten Kerbschlagzähigkeiten. Das Ausmaß der Unterschiede ist werkstoffabhängig, wobei generell mit zunehmendem Kerbradius die Kerbschlagzähigkeit zunimmt. In dem durch die ISO-Prüfnorm vorgegebenen Kerbradiusbereich von 0,1 mm bis 1 mm sind die Unterschiede in den ermittelten Kerbschlagzähigkeiten am deutlichsten ausgeprägt. Im Bild 1 a wird gezeigt, dass Polyvinylchlorid (Kurzzeichen: PVC), Polyamid (Kurzzeichen: PA; Handelsname: Nylon) und Polyoxymethylen (Kurzzeichen: POM) ein qualitativ ähnliches Verhalten in Abhängigkeit vom Kerbradius zeigen, wobei für PVC der Einfluss des Kerbradius am deutlichsten ausgeprägt ist. Acrylnitril-Butadien-Styrol (Kurzzeichen: ABS) und Polymethylmethacrylat (Kurzzeichen: PMMA) zeigen eine geringere Abhängigkeit auf unterschiedlichem Zähigkeitsniveau. Das ABS erweist sich in dem betrachteten Kerbradienbereich als am kerbunempfindlichsten. In Bild 1 b wurde durch das Einbringen von Metallklingenkerben der untersuchte Kerbradienbereich in Richtung kleinerer Kerbradien ρ bis zu ρ = 2,5 µm ausgedehnt. Für PA 66, PA 66 schlagzäh und Polycarbonat (Kurzzeichen: PC) liegt bei Kerbradien < 0,1 mm bereits sprödes Werkstoffverhalten, gekennzeichnet durch geringe, vom Kerbradius unabhängige IZOD-Kerbschlagzähigkeitswerte aIN vor. Demgegenüber wird für hochschlagzähes PA 66 nur ein geringer Einfluss der Kerbschärfe im Bereich von 2,5 µm bis 0,25 mm auf die IZOD-Kerbschlagzähigkeit (siehe Schlagbiegeversuch gefunden. Auf Grund der unterschiedlichen Beanspruchungen sind CHARPY- und IZOD-Kerbschlagzähigkeit quantitativ nicht vergleichbar.

Bild 1: Abhängigkeit der CHARPY-Kerbschlagzähigkeit acN vom Kerbradius ρ für ausgewählte Kunststoffe (a) und der IZOD-Kerbschlagzähigkeit aIN von ρ für PA-Werkstoffe (hochschlagzähes PA 66, schlagzähes PA 66, PA 66) und PC (b) [1, 2]

Qualitativ ergeben sich in Abhängigkeit vom Kerbradius jedoch ähnliche Tendenzen. Von den hier betrachteten Werkstoffen erweisen sich im gesamten Kerbradienbereich das ABS und das hochschlagzähe PA 66 als kerbunempfindlich. Als zusätzliche Einflussgrößen sind die Beanspruchungstemperatur und die Beanspruchungsgeschwindigkeit zu berücksichtigen.

Die Ermittlung der Temperaturabhängigkeit der Zähigkeit mit der Zielstellung der Angabe werkstoffspezifischer Spröd-Zäh-Übergangstemperaturen ist, wie aus dem Bild ableitbar, nur mittels scharfer Kerben sinnvoll.

Analoge Aussagen sind für die Abhängigkeit der Zähigkeit von der Geschwindigkeit zu treffen. Somit wird deutlich, dass die Angabe von kritischen Kerbradien nur aus Untersuchungen der Abhängigkeit bruchmechanischer Kennwerte vom Kerbradius möglich ist.

Einfluss des Kerbradius auf die J-Werte von PE, PP und PB

Von Wilke [3] wurden zur Bewertung des Einflusses der Kerbschärfe auf das Zähigkeitsverhalten bruchmechanische Untersuchungen an den ausgewählten Polyolefinwerkstoffen Polybuten (Kurzzeichen: PB), Polyethylen (Kurzzeichen: PE) und Polypropylen (Kurzzeichen: PP) durchgeführt. Alle Prüfkörper lagen als spritzgegossene Vielzweckprüfkörper vor, aus denen prismatische Prüfkörper der Abmessungen 80 mm ×10 mm ×4 mm entsprechend DIN EN ISO 3167 Typ A herauspräpariert wurden.

Danach erfolgte schmalseitig die Einbringung eines Fräskerbs mit dem Kerbgerät NOTCHVIS der Firma Ceast. Für die Versuche wurden folgende Kerbradien ausgewählt: 0,05 mm, 0,1 mm, 0,25 mm und 1 mm. Weiterhin wurde ein Prüfkörpersatz je Werkstoff mit einem scharfen Metallklingenkerb versehen. Die Kerbtiefe betrug dabei unabhängig vom Kerbradius 2 mm, sodass sich die Prüfkörperbreite im Kerbgrund (Ligamentlänge) von 10 mm auf 8 mm reduzierte. Um die Belastung vor der Klingenspitze so gering wie möglich zu halten und eine Vorschädigung des Materials weitgehend auszuschließen, wurde vor der Einbringung eines 1 mm langen Metallklingenkerbs zuerst ein 1 mm langer Fräskerb mit einem Kerbradius von 0,1 mm eingebracht, sodass auch hier die gesamte Kerbtiefe 2 mm betrug. Für die reinen Polyolefine wurde hierfür eine Metallklinge mit einem Klingenradius von 0,15 µm gewählt (siehe auch Kerbgeometrie).

Die Auswertung von den im instrumentierten Kerbschlagbiegeversuch aufgenommenen Kraft-Durchbiegungs-Diagrammen, z. B. die Ermittlung der maximalen Kraft Fmax sowie der Energieanteile Ael und Apl, erfolgte nach MPK-IKBV Prozedur Teil I. Die Abhängigkeit der mittels Näherungsformel nach Sumpter und Turner (ST) berechneten J-Werte JST vom Kerbradius ist für drei Polyolefinwerkstoffe im Bild 2 dargestellt.

Bild 2: J-Werte JST der Polyolefinwerkstoffe PE, PP und PB in Abhängigkeit vom Kerbradius
(ST: Auswertemethode nach Sumpter und Turner)

In den Untersuchungen erweist sich PB auf Grund seiner deutlich erhöhten Verformungsfähigkeit am duktilsten und PP als am wenigsten duktil; PE nimmt eine Zwischenstellung ein. Die Werte des J-Integrals lassen sich sehr gut mit der Kerbspannungslehre erklären, wobei die kritischen Werte für den Kerbradius mit 0,2 bis 0,6 mm um ein bis zwei Größenordnungen über denen für andere Kunststoffe gefundenen Werten liegen [4].


Literaturhinweise

[1] Flexman, E. A.: Verhalten von Polyamid 66 bei Schlagbeanspruchung. Kunststoffe 69 (1979) 172–174
[2] Vincent, P. I.: Impact Tests and Service Performance of Thermoplastics. Plastics Institute, London (1971)
[3] Wilke, A.: Einfluss der Kerbschärfe auf das Zähigkeitsverhalten ausgewählter Kunststoffe und Ableitung materialspezifischer Kennwerte. Diplomarbeit Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg (2009) (siehe AMK-Büchersammlung unter B 3-146)
[4] Kinloch, A. J., Young, R. J.: Fracture Behaviour of Polymers. Elsevier Appl. Sci. Publ., London New York (1985)
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