Kugeldruckhärte: Unterschied zwischen den Versionen

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<big>'''Kugeldruck-Härte'''</big>
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<span style="font-size:1.2em;font-weight:bold;">Kugeldruck-Härte</span>
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==Grundlagen==
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Für die Bestimmung der [[Härte]] an [[Kunststoffe]]n wurde das Kugeleindruckverfahren eingeführt. Das Verfahren beruht auf der Messung der Eindringtiefe einer Stahlkugel in die [[Oberfläche]] eines Prüfkörpers unter Einwirkung einer Prüfkraft. Diese Prüfkraft wirkt nach Anlegen einer Vorkraft eine definierte Zeit ein. Die prinzipielle Schwierigkeit dieses Verfahrens besteht darin, dass die Eindringtiefe keine lineare Funktion der Belastung ist. Ausgeglichen wird dies durch eine Begrenzung der Eindringtiefe auf einen Wert, der klein gegenüber dem Kugeldurchmesser ist. Ein einheitlicher Eindringtiefenbereich von 0,15 mm bis 0,35 mm wird durch die Anwendung von vier Prüfkraftstufen erreicht. Dazu sind folgende Prüfkräfte festgelegt: 49 N, 132 N, 358 N und 961 N. An den Kraftübergangsstellen von einer Laststufe zur anderen treten dabei Unstetigkeitsstellen auf und somit je Prüfkraft unterschiedliche Härtewerte.
  
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Für die Bestimmung der Härte an Kunststoffen wurde das Kugeleindruckverfahren eingeführt. Das Verfahren beruht auf der Messung der Eindringtiefe einer Stahlkugel in die Oberfläche eines Prüfkörpers unter Einwirkung einer Prüfkraft. Diese Prüfkraft wirkt nach Anlegen einer Vorkraft eine definierte Zeit ein. Die prinzipielle Schwierigkeit dieses Verfahrens besteht darin, dass die Eindringtiefe keine lineare Funktion der Belastung ist. Ausgeglichen wird dies durch eine Begrenzung der Eindringtiefe auf einen Wert, der klein gegenüber dem Kugeldurchmesser ist. Ein einheitlicher Eindringtiefenbereich von 0,15 mm bis 0,35 mm wird durch die Anwendung von 4 Prüfkraftstufen erreicht. Dazu sind folgende Prüfkräfte festgelegt: 49N, 132 N, 358 N und 919 N. An den Kraftübergangsstellen von einer Laststufe zur anderen treten dabei Unstetigkeitsstellen auf und somit je Prüfkraft unterschiedliche Härtewerte.
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==Auswertung und Kennwertberechnung==
  
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Bei der Auswertung des Versuchs wird durch rechnerische Berücksichtigung der nicht streng linearen Eindringtiefen-Kraft Funktion ein nahezu stetiger Übergang an der Nahtstelle zweier Prüfkraftstufen erreicht. Für die Bestimmung der Härte wird die Prüfkraft gewählt, die 30 s nach dem Aufbringen eine Eindringtiefe erzeugt, die in dem bereits erwähnten Bereich von 0,15 bis 0,35 mm (grauer Bereich im Bild) liegt.
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Bei der Auswertung des Versuchs wird durch rechnerische Berücksichtigung der nicht streng linearen Eindringtiefen-Kraft-Funktion ein nahezu stetiger Übergang an der Nahtstelle zweier Prüfkraftstufen erreicht. Für die Bestimmung der [[Härte]] wird die Prüfkraft gewählt, die 30 s nach dem Aufbringen eine Eindringtiefe erzeugt, die in dem bereits erwähnten Bereich von 0,15 bis 0,35 mm (grauer Bereich im '''Bild 1''') liegt.
  
 
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Bild: Gültigkeitsbereich der Kugeldruckhärte
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Bild: Versuchsdurchführung bei Messung der Kugeldruckhärte
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Das '''Bild 2''' enthält die schematische Versuchsdurchführung bei der Ermittlung der Kugeldruckhärte. Im '''Bild 3''' sind unterschiedliche Härtetester der Firmen [https://www.zwick.de/ ZwickRoell] und Instron-Wolpert dargestellt (siehe [[Hersteller von Materialprüfmaschinen]]).
  
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Das obere Bild enthält die schematische Versuchsdurchführung bei der Ermittlung der Kugeldruckhärte. Im diesem Bild sind unterschiedliche Härtetester der Firmen Zwick und Instron-Wolpert dargestellt.
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Bild: Beispiele von Härteprüfeinrichtungen zur Messung der Kugeldruckhärte
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|width="600px" |Beispiele von Härteprüfeinrichtungen zur Messung der Kugeldruckhärte
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Für die Auswertung gelten folgende Bedingungen:
 
Für die Auswertung gelten folgende Bedingungen:
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<li>Wird nach Ablauf der Prüfzeit eine Eindringtiefe < 0,15 mm festgestellt, dann ist die Prüflast zu erhöhen!</li>
 
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<li>Wird nach Ablauf der Prüfzeit eine Eindringtiefe > 0,35 mm festgestellt, dann ist die Prüflast zu erniedrigen!</li>
 
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<li>Wird nach Ablauf der Prüfzeit eine Eindringtiefe im Bereich von 0,15-0,35 mm (grau) festgestellt, dann wird der Härtewert manuell oder durch die Software ermittelt!</li></ul>
 
  
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Ist diese Bedingung also erfüllt, wird die Härte allgemein nach folgender Gleichung berechnet:
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* Wird nach Ablauf der Prüfzeit eine Eindringtiefe < 0,15 mm festgestellt, dann ist die Prüflast zu erhöhen!
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* Wird nach Ablauf der Prüfzeit eine Eindringtiefe > 0,35 mm festgestellt, dann ist die Prüflast zu erniedrigen!
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* Wird nach Ablauf der Prüfzeit eine Eindringtiefe im Bereich von 0,15–0,35 mm (grau) festgestellt, dann wird der Härtewert manuell oder durch die Software ermittelt!
  
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Ist diese Bedingung also erfüllt, wird die [[Härte]] allgemein nach folgender Gleichung berechnet:
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Da bei der Prüfung gleichzeitig eine Aufbiegung des Lastrahmens auftritt, die durch die Nachgiebigkeit beschreibar ist, muss eine Korrektur des Härtewertes erfolgen:
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Da bei der Prüfung gleichzeitig eine Aufbiegung des [[Lastrahmen]]s auftritt, die durch die Nachgiebigkeit (siehe: [[Zugversuch Nachgiebigkeit]]) beschreibar ist, muss eine Korrektur des Härtewertes erfolgen:
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|reduzierte Prüfkraft
 
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|Kugeldurchmesser d = 5 mm
 
|Kugeldurchmesser d = 5 mm
 
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|reduzierte Eindringtiefe
 
|reduzierte Eindringtiefe
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==Kennwerte für Formmassen und Thermoplaste==
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In der nachfolgenden Tabelle sind einige [[Kennwert|Werte]] der Kugeleindruckhärte für verschiedene [[Formmasse]]n und [[Kunststoffe]] zusammengestellt.
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|+ '''Tabelle 1''': Kennwerte der Kugeleindruckhärte für [[Thermoplaste]] und Formmassen
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!! style="width:150px; background:#DCDCDC" | Produktgruppe
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!! style="width:150px; background:#DCDCDC" | HB (N/mm<sup>2</sup>)
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!! style="width:150px; background:#DCDCDC" | Produktgruppe
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|Polyvinylchloride
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|PVC, schlagzäh
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In der nachfolgenden Tabelle sind einige Werte der Kugeleindruckhärte für verschiedene Formmassen und Kunststoffe zusammengestellt.
 
  
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[[Datei:kugeld_tabelle.jpg]]
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==Einfluss der Orientierung==
  
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Im unteren Bild ist die Abhängigkeit der Kugeldruckhärte vom Messort an einem Vielzweckprüfkörper, also der Orientierung, für ein Polypropylen-Copolymerisat dargestellt.
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Im '''Bild 4''' ist die Abhängigkeit der Kugeldruckhärte vom Messort an einem [[Vielzweckprüfkörper]], also der Orientierung (siehe: [[Zugversuch Eigenspannungen Orientierungen]]), für ein Polypropylen-Copolymerisat dargestellt.
  
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[[Datei:kugeld_4.jpg]]
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[[Datei:kugeld_4.jpg|400px]]
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|width="600px" |Abhängigkeit der Kugeldruckhärte von der Orientierung (Messort) und dem Auslagerungszustand in Waschlauge bei 95 °C für ein PP-Copolymerisat PPC2)
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|'''100 h-Auslagerung''':
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|Wird das PP-Copolymerisat bei 95 °C in Waschlauge 100 Stunden ausgelagert, dann erhält man den blauen Kurvenverlauf. Es ist zu erkennen, dass in den Schulterbereichen aufgrund der geringeren [[Zugversuch Eigenspannungen Orientierungen|Orientierung]] auch eine kleinere [[Härte]] registriert wird. Im Vergleich zu den Ausgangswerten ist infolge des Tempereinflusses (Abbau der Eigenspannungen) ebenfalls eine Verringerung des mittleren Härteniveaus feststellbar.
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|'''1000 h-Auslagerung''':
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|Wird dieser Werkstoff bis 1000 Stunden unter identischen Bedingungen ausgelagert, dann ergibt sich die rote Kurve für die 10 mm entfernten Messpunkte. Man sieht deutlich, dass sich das Niveau der [[Härte]] im Bereich der Schultern und dem mittleren planparallelen Teil angeglichen hat. Dieser Effekt entsteht infolge der größeren Mobilität der Polymerketten und den dadurch hervorgerufenen Deformations- und Orientierungsausgleich.
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Bild: Abhängigkeit der Kugeldruckhärte von der Orientierung (Messort) und dem Auslagerungszustand in Waschlauge bei 95°C von PP-Copolymerisat
 
  
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100 h-Auslagerung: Wird dieses Material bei 95 °C in Waschlauge 100 Stunden ausgelagert, dann erhält man den blauen Kurvenverlauf. Es ist zu erkennen, dass in den Schulterbereichen aufgrund der geringeren Orientierung auch eine kleinere Härte registriert wird. Im Vergleich zu den Ausgangswerten ist infolge des Tempereinflusses (Abbau der Eigenspannungen) ebenfalls eine Verringerung des mittleren Härteniveaus feststellbar.
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'''Literaturhinweise'''
  
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1000 h-Auslagerung: Wird dieser Werkstoff bis 1000 Stunden unter identischen Bedingungen ausgelagert, dann ergibt sich die rote Kurve für die 10 mm entfernten Messpunkte. Man sieht deutlich, dass sich das Niveau der Härte im Bereich der Schultern und dem mittleren planparallelen Teil angeglichen hat. Dieser Effekt entsteht infolge der größeren Mobilität der Polymerketten und den dadurch hervorgerufenen Deformations- und Orientierungsausgleich.
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* DIN EN ISO 2039-1 (2003-06): Kunststoffe – Bestimmung der Härte – Teil 1: Kugeleindruckversuch
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* [[Grellmann,_Wolfgang|Grellmann, W.]], [[Seidler,_Sabine|Seidler, S.]] (Hrsg.): Kunststoffprüfung. Carl Hanser Verlag, München (2015) 3. Auflage, S. 198/199 (ISBN 978-3-446-44350-1; siehe [[AMK-Büchersammlung]] unter A 18)
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* Koch, T., [[Bierögel, Christian|Bierögel, C.]], Seidler, S.: Conventional Hardness Values. In: Grellmann, W., Seidler, S.: Mechanical and Thermomechanical Properties of Polymers. Landolt-Börnstein. Volume VIII/6A3, Springer Verlag, Berlin (2014) 357–379, (ISBN 978-3-642-55165-9; siehe [[AMK-Büchersammlung]] unter A 16)
  
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'''Literaturhinweis'''
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[[Kategorie:Härte]]
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<ul>
 
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<li>DIN EN ISO 2039-1 (2003): Kunststoffe – Bestimmung der Härte – Teil 1: Kugeleindruckversuch</li></ul>
 

Aktuelle Version vom 13. August 2019, 06:38 Uhr

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Kugeldruck-Härte

Grundlagen

Für die Bestimmung der Härte an Kunststoffen wurde das Kugeleindruckverfahren eingeführt. Das Verfahren beruht auf der Messung der Eindringtiefe einer Stahlkugel in die Oberfläche eines Prüfkörpers unter Einwirkung einer Prüfkraft. Diese Prüfkraft wirkt nach Anlegen einer Vorkraft eine definierte Zeit ein. Die prinzipielle Schwierigkeit dieses Verfahrens besteht darin, dass die Eindringtiefe keine lineare Funktion der Belastung ist. Ausgeglichen wird dies durch eine Begrenzung der Eindringtiefe auf einen Wert, der klein gegenüber dem Kugeldurchmesser ist. Ein einheitlicher Eindringtiefenbereich von 0,15 mm bis 0,35 mm wird durch die Anwendung von vier Prüfkraftstufen erreicht. Dazu sind folgende Prüfkräfte festgelegt: 49 N, 132 N, 358 N und 961 N. An den Kraftübergangsstellen von einer Laststufe zur anderen treten dabei Unstetigkeitsstellen auf und somit je Prüfkraft unterschiedliche Härtewerte.

Auswertung und Kennwertberechnung

Bei der Auswertung des Versuchs wird durch rechnerische Berücksichtigung der nicht streng linearen Eindringtiefen-Kraft-Funktion ein nahezu stetiger Übergang an der Nahtstelle zweier Prüfkraftstufen erreicht. Für die Bestimmung der Härte wird die Prüfkraft gewählt, die 30 s nach dem Aufbringen eine Eindringtiefe erzeugt, die in dem bereits erwähnten Bereich von 0,15 bis 0,35 mm (grauer Bereich im Bild 1) liegt.

Kugeld 1.jpg

Bild 1: Gültigkeitsbereich der Kugeldruckhärte

Kugeld 2.jpg

Bild 2: Versuchsdurchführung bei Messung der Kugeldruckhärte

Das Bild 2 enthält die schematische Versuchsdurchführung bei der Ermittlung der Kugeldruckhärte. Im Bild 3 sind unterschiedliche Härtetester der Firmen ZwickRoell und Instron-Wolpert dargestellt (siehe Hersteller von Materialprüfmaschinen).

Kugeld 3.jpg

Bild 3: Beispiele von Härteprüfeinrichtungen zur Messung der Kugeldruckhärte

Für die Auswertung gelten folgende Bedingungen:

  • Wird nach Ablauf der Prüfzeit eine Eindringtiefe < 0,15 mm festgestellt, dann ist die Prüflast zu erhöhen!
  • Wird nach Ablauf der Prüfzeit eine Eindringtiefe > 0,35 mm festgestellt, dann ist die Prüflast zu erniedrigen!
  • Wird nach Ablauf der Prüfzeit eine Eindringtiefe im Bereich von 0,15–0,35 mm (grau) festgestellt, dann wird der Härtewert manuell oder durch die Software ermittelt!

Ist diese Bedingung also erfüllt, wird die Härte allgemein nach folgender Gleichung berechnet:

            (N/mm2)

Da bei der Prüfung gleichzeitig eine Aufbiegung des Lastrahmens auftritt, die durch die Nachgiebigkeit (siehe: Zugversuch Nachgiebigkeit) beschreibar ist, muss eine Korrektur des Härtewertes erfolgen:

            (N/mm2)
mit             (N)

mit

F0 Vorkraft (N)
FL Prüflast
F Gesamtlast
Fr reduzierte Prüfkraft
d Kugeldurchmesser d = 5 mm
h Eindringtiefe (mm)
hr reduzierte Eindringtiefe

Kennwerte für Formmassen und Thermoplaste

In der nachfolgenden Tabelle sind einige Werte der Kugeleindruckhärte für verschiedene Formmassen und Kunststoffe zusammengestellt.

Tabelle 1: Kennwerte der Kugeleindruckhärte für Thermoplaste und Formmassen
Produktgruppe HB (N/mm2) Produktgruppe HB (N/mm2)
Härtbare Formmassen Thermoplaste, unverstärkt
Phenolharz ... 200 Fluorpolymere 30 ... 70
Harnstoffharz ... 150 Polyacetale ... 140
Melaminharz ... 200 Polyamide ... 100
Polyesterharz ... 200 Polycarbonate ... 100
Epoxidharz ... 200 Polymethylmethacrylate ... 200
Polyethylene 10 ... 65
Polypropylenen 60 ... 75
Polystyrene ... 120
Polyvinylchloride ... 120
PVC, schlagzäh 30 ... 100

Einfluss der Orientierung

Im Bild 4 ist die Abhängigkeit der Kugeldruckhärte vom Messort an einem Vielzweckprüfkörper, also der Orientierung (siehe: Zugversuch Eigenspannungen Orientierungen), für ein Polypropylen-Copolymerisat dargestellt.

Kugeld 4.jpg

Bild 4: Abhängigkeit der Kugeldruckhärte von der Orientierung (Messort) und dem Auslagerungszustand in Waschlauge bei 95 °C für ein PP-Copolymerisat PPC2)
100 h-Auslagerung: Wird das PP-Copolymerisat bei 95 °C in Waschlauge 100 Stunden ausgelagert, dann erhält man den blauen Kurvenverlauf. Es ist zu erkennen, dass in den Schulterbereichen aufgrund der geringeren Orientierung auch eine kleinere Härte registriert wird. Im Vergleich zu den Ausgangswerten ist infolge des Tempereinflusses (Abbau der Eigenspannungen) ebenfalls eine Verringerung des mittleren Härteniveaus feststellbar.
1000 h-Auslagerung: Wird dieser Werkstoff bis 1000 Stunden unter identischen Bedingungen ausgelagert, dann ergibt sich die rote Kurve für die 10 mm entfernten Messpunkte. Man sieht deutlich, dass sich das Niveau der Härte im Bereich der Schultern und dem mittleren planparallelen Teil angeglichen hat. Dieser Effekt entsteht infolge der größeren Mobilität der Polymerketten und den dadurch hervorgerufenen Deformations- und Orientierungsausgleich.


Literaturhinweise

  • DIN EN ISO 2039-1 (2003-06): Kunststoffe – Bestimmung der Härte – Teil 1: Kugeleindruckversuch
  • Grellmann, W., Seidler, S. (Hrsg.): Kunststoffprüfung. Carl Hanser Verlag, München (2015) 3. Auflage, S. 198/199 (ISBN 978-3-446-44350-1; siehe AMK-Büchersammlung unter A 18)
  • Koch, T., Bierögel, C., Seidler, S.: Conventional Hardness Values. In: Grellmann, W., Seidler, S.: Mechanical and Thermomechanical Properties of Polymers. Landolt-Börnstein. Volume VIII/6A3, Springer Verlag, Berlin (2014) 357–379, (ISBN 978-3-642-55165-9; siehe AMK-Büchersammlung unter A 16)
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