Instrumentierter Kerbschlagbiegeversuch

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Instrumentierter Kerbschlagbiegeversuch (IKBV)

Allgemeines

Der instrumentierte Kerbschlagbiegeversuch (IKBV) ist ein in der Werkstoffentwicklung und -optimierung zunehmend angewendetes Verfahren der mechanischen Werkstoffprüfung bzw. der experimentellen bruchmechanischen Prüfung (siehe Bruchmechanische Prüfung).

Aussagefähigkeit des IKBV

Bild 1 zeigt die Bedeutung der instrumentierten Versuchsführung (siehe Instrumentierung) bei der Durchführung des Kerbschlagbiegeversuches auf. Während die Kerbschlagarbeit A, die im Rahmen der konventionellen Zähigkeitsbewertung aufgrund ihres integralen Charakters für beide Werkstoffe identisch ist (A₁ = A₂ und a_cN1 = a_cN2), zeigt das Ergebnis des instrumentierten Versuches deutliche Unterschiede bezüglich der Kraft (F_max1 > F_max2) und der Verformungskomponente (f_max1 < f_max2). Darüber hinaus ermöglicht die Durchführung des instrumentierten Kerbschlagbiegeversuches z. B. die Ermittlung von bruchmechanischen Zähigkeitskenngrößen K_Id, δ_Id und J_Id, die bei beiden verglichenen Werkstoffen deutlich differieren und somit die Unterscheidung ermöglichen (siehe auch: Erkenntnisniveauebenen der Bruchmechanik).

Bild 1:

Schematische Darstellung eines Kraft-Durchbiegungs-Diagrammes von zwei Werkstoffen mit unterschiedlichem Deformationsverhalten

Ein anderer Fall, wo bei der Beurteilung der Zähigkeit von Werkstoffen mittels konventionellen Kerbschlagbiegeversuchs Probleme auftreten können, ist in Bild 2 dargestellt. Hier tritt im Kerbschlagbiegeversuch bei den identischen Werkstoffen 1 und 2 (A₁ = A₂) ein nicht zu vernachlässigender Anteil an Rissverzögerungsenergie (crack arrest energy) A_R bei dem Werkstoff 1 auf, der allerdings nur bei instrumentierter Versuchsdurchführung sichtbar und quantifizierbar ist. Da dieser Anteil bei einer bruchmechanischen Auswertung nicht berücksichtigt wird, besitzen beide Werkstoffe infolge A₁ = A₂ somit ein identisches Zähigkeitsniveau bei allen bruchmechanischen Kennwerten. Werden konventionelle Kerbschlagbiegeversuche an diesen Werkstoffen durchgeführt, dann wird die Rissverzögerungsenergie, falls vorhanden, in die Bewertung eingehen. Somit wird Werkstoff 1 infolge A₁+A_R > A₂ in seinem Zähigkeitsniveau überbewertet, obwohl A₁ = A₂ ist.

Bild 2:

Schematische Darstellung von Kraft-Durchbiegungs-Diagrammen von Werkstoffen mit und ohne Rissverzögerungsenergie

Anwendung

Die Anwendung des instrumentierten Kerbschlagbiegeversuches kann also entweder mit der Zielstellung erfolgen, zusätzlich zur Ermittlung der Schlag- bzw. Kerbschlagzähigkeit a_cU bzw. a_cN eine Bewertung des Kraft-Durchbiegungs-Verhaltens durchzuführen (siehe konventioneller Schlagbiegeversuch). In diesem Fall kommt die Norm DIN EN ISO 179-2 zur Anwendung, oder der instrumentierte Kerbschlagbiegeversuch wird als experimentelle Grundlage einer bruchmechanischen Zähigkeitscharakterisierung von Werkstoffen durchgeführt.

Literaturhinweise

• Blumenauer, H., Schröder, H.: Anwendung des registrierenden Schlagbiegeversuches zur Prüfung von Polymerwerkstoffen. Plaste und Kautschuk 20 (1973) 11, 832–833
• 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)
• DIN EN ISO 179-2 (2020-09): Kunststoffe – Bestimmung der Charpy-Schlageigenschaften – Teil 2: Instrumentierte Schlagzähigkeitsprüfung
• ESIS P2-92 (1992): Procedure for Determining the Fracture Behaviour of Materials
• ESIS TC 4 (2001): A Testing Protocol for Conducting J-Crack Growth Resistance Curve Test on Plastics
• MPK-Prozedur_MPK-IKBV (2016-08): Prüfung von Kunststoffen – Instrumentierter Kerbschlagbiegeversuch: Prozedur zur Ermittlung des Risswiderstandsverhaltens aus dem instrumentierten Kerbschlagbiegeversuch
• Grellmann, W., Langer, B.: Methods for Polymer Diagnostics for the Automotive Industry. Materialprüfung 55 (2013) 17–22 Download als pdf

Weitere Literaturhinweise siehe Instrumentierung