Biegeversuch

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Biegeversuch

Allgemeines

Der quasistatische Biegeversuch wird insbesondere zur Prüfung spröder Werkstoffe eingesetzt, die im Zugversuch auf Grund ihres Versagensverhaltens messtechnische Probleme bereiten. Bei homogenen und isotropen Kunststoffen wird dieser Versuch entsprechend der Normenvorschrift DIN EN ISO 178 zur Prüfung folgender Werkstoffe angewandt [1]:

• thermoplastische Spritzguss- und Extrusionsformmassen, einschließlich gefüllter und verstärkter Formmassen sowie steifer thermoplastischer Tafeln,
• duroplastische Formstoffe, einschließlich gefüllter und verstärkter Verbundwerkstoffe,
• duroplastische Tafeln, einschließlich Schichtstoffe,
• faserverstärkte duroplastische und thermoplastische Verbundwerkstoffe, die unidirektionale und nicht unidirektionale Verstärkungen enthalten und
• thermotrope flüssigkristalline Polymere.

Dieses Prüfverfahren ist jedoch nicht für harte Schaumstoffe oder Schichtverbunde, die Schaumstoff enthalten, geeignet. Für die Bestimmung der Biegeeigenschaften von faserverstärkten Kunststoffen, wie z. B. Laminate aus GFK oder CFK wird die DIN EN ISO 14125 [2] angewendet.

In der prüftechnischen Praxis stehen als Versuchsanordnung die Dreipunkt- und Vierpunktprüfanordnung zur Verfügung.

Die Methode der Dreipunktbiegeprüfung

Für die experimentellen Untersuchungen werden Biegeprüfkörper herangezogen. In der DIN EN ISO 178 ist nur die Dreipunktprüfanordnung für die Bestimmung des Elastizitätsmodul und der Biegeeigenschaften erlaubt (Bild 1).

Bild 1:

Dreipunktbiegeanordnung nach DIN EN ISO 178 und DIN EN ISO 14125

In dieser Norm ist Messung der Mittendurchbiegung mittels Traversenwegmessung oder der Nutzung eines Tastfühlers in der Probenmitte erlaubt. Speziell bei der Bestimmung des E-Moduls ergeben sich mit dem Tastfühler verbesserte Kennwerte, da der Fehlweg infolge des Eindringens der Biegefinne nicht im Durchbiegungssignal enthalten ist. Werden Gabelfühler, wie in Bild 2 gezeigt, verwendet, erhält man noch präzisere Kennwerte, da das Eindringen an den Widerlagern auch aus dem Messsignal entfällt. In diesem Fall sind jedoch geänderte Auswerteformeln (siehe Tabelle) zur Berechnung der Kennwerte des Biegeversuchs anzuwenden. Die Versuche werden zumeist mit einer Stützweite von 64 mm (h = 4 mm) und Prüfgeschwindigkeit von 2 oder 5 mm/min bis zum Erreichen des Bruchs oder des Kraftmaximums durchgeführt. Tritt kein Bruch oder Maximum auf, wird der Versuch bei Erreichen der konventionellen Durchbiegung von 6 mm (h = 4 mm) abgebrochen. Die Kennwerte Biegefestigkeit und Biegespannung bei konventioneller Durchbiegung können nicht verglichen werden [3]. Zum Vergleich bei derartigem Verhalten von Kunststoffen kann eine frei definierte Dehngrenze bei x % zur Ermittlung einer Biegespannung σ_fx (Bild 3) verwendet werden, obwohl dieses Verfahren nur bei dem Zugversuch genormt ist.

Bild 2:

Messung der Mittendurchbiegung oder Nutzung des Gabelfühlersignals

Tabelle:

Auswerteformeln zur Berechnung der Kennwerte des Biegeversuchs

Bild 3:

Ermittlung der x %-Biegespannung

Die Methode der Vierpunktbiegeprüfung

An faserverstärkten Kunststoffen kann nach DIN EN ISO 14125 die Drei- oder Vierpunktbiegeanordnung verwendet werden, wobei letztere Prüfeinrichtung (Bild 4) präzisere Resultate ergibt, allerdings teurer und komplizierter handhabbar ist.

Bild 4:

Vierpunktbiegeanordnung nach DIN EN ISO 14125

Da in dieser Norm kein Abbruchkriterium wie bei der DIN EN ISO 178 vorgesehen ist, werden die Versuche im Regelfall bis zum Bruch des Prüfkörpers durchgeführt. Da dann insbesondere bei großen Durchbiegungen zusätzliche Spannungskomponenten infolge Reibung oder HERTZ'scher Pressung auftreten und geometrische Effekte, wie Auflagerabstandsverkürzung, wirken, müssen Randfaserdehnung und Biegespannung bei der Drei- und Vierpunktbiegeeinrichtung korrigiert werden [2].

Eine umfassende Literaturanalyse zu den mechanischen Kennwerten ε_f, σ_fM und σ_fc bei Biegebeanspruchung für zahlreiche Kunststoffe ist in [4] enthalten.

Literaturhinweise

[1]	DIN EN ISO 178 (2017-06): Kunststoffe – Bestimmung der Biegeeigenschaften (Normentwurf)
[2]	DIN EN ISO 14125 (2011-05): Faserverstärkte Kunststoffe – Bestimmung der Biegeeigenschaften
[3]	Bierögel, C.: Biegeversuch an Kunststoffen. In: Grellmann, W., Seidler, S. (Hrsg.): Kunststoffprüfung. Carl Hanser Verlag, München (2015) 3. Auflage, S. 147–158 (ISBN 978-3-446-44350-1; siehe AMK-Büchersammlung unter A 18)
[4]	Bierögel, C., Grellmann, W.: Bend Loading. In: Grellmann, W., Seidler, S.: Mechanical and Thermomechanical Properties of Polymers. Landolt-Börnstein, Volume VIII/6A3, Springer Verlag, Berlin (2014) 164–191, (ISBN 978-3-642-55165-9; siehe AMK-Büchersammlung unter A 16)