Kerbschlagbiegeversuch

Kerbschlagbiegeversuch

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Polymer Service GmbH Merseburg

Konventioneller Kerbschlagbiegeversuch

Kerbschlagbiegeversuch nach Charpy

Russel hat im Jahre 1898 erstmals einen Pendelhammer als Prüfvorrichtung für die Schlagprüfung eingeführt. Jedoch ist diese Art der Versuchsführung heute nicht mit dem Namen Russel verbunden, sondern mit dem von Charpy, G. A. A., was an der Art und Weise liegt, mit der Charpy ab 1901 diese Methode zur Schlagbiegeprüfung metallischer Werkstoffe angewendet hat. So hat Charpy 1904 die integrale Schlagenergie als Zähigkeitswert vorgeschlagen, die er mittels seiner bekannten Anordnung bestimmt hatte. Obwohl seit der Einführung des Charpy-Versuches 100 Jahre vergangen sind, gehört die Ermittlung der Kerbschlagzähigkeit nach Charpy nach wie vor zu den verbreitesten Verfahren in der industriellen Prüfpraxis, wobei diese Methode jedoch aufgrund zahlreicher formaler Mängel streng genommen nur in der Qualitätssicherung ein berechtigtes Einsatzfeld hat. Der Kerbschlagbiegeversuch nach Charpy ist nach DIN EN ISO 179 genormt und dient der Beurteilung des Zähigkeitsverhaltens von Kunststoffen bei schlagartiger Beanspruchung unter Verwendung gekerbter Prüfkörper. Bei der Charpy-Anordnung in einem Schlagbiegeversuch wird der Prüfkörper auf zwei Widerlagern positioniert und in der Mitte durch einen Pendelhammer eines Pendelschlagwerkes schlagartig beansprucht (siehe Bild 1).

Die prismatischen Prüfkörper müssen nach der entsprechenden Formmasse-Norm hergestellt werden und können direkt mittels Spritzgießen oder aus gepressten bzw. gegossenen Platten spanend gefertigt werden. Die vorwiegend für Thermoplaste verwendeten Prüfkörper vom Typ 1 (siehe Tabelle) sind aus Vielzweckprüfkörpern nach DIN EN ISO 3167 Typ A entnehmbar. Die Prüfkörper Typ 2 und 3 werden nur für Verbundwerkstoffe mit interlaminarem Scherbruch, z.B. langfaserverstärkte Kunststoffe, verwendet.

Bild 1:

Schematische Darstellung der Charpy-Anordnung zur Durchführung von Kerbschlagbiegeversuchen

Die für die Zerstörung der Prüfkörper mit definierten Abmessungen (siehe Tabelle) notwendige Brucharbeit wird mit dem Pendelschlagwerk ermittelt. Die Schwerkraft tritt dabei als Antriebskraft auf. Das Messprinzip eines Pendelschlagwerkes beruht auf der Bestimmung der Differenz zwischen Fallwinkel und Steigwinkel, welche durch den Engergieverlust des Pendelhammers durch die Brucharbeit am Prüfkörper bestimmt wird.

Tabelle: Prüfkörpertypen und -abmessungen für den Kerbschlagbiegeversuch nach DIN EN ISO 179

	Länge l (mm)	Breite b (mm)	Dicke h (mm)	Stützweite L (mm)
Typ 1	80 ± 2	10,0 ± 0,2	4,0 ± 0,2	62
Typ 2	25 h	10 oder 15	3	20 h
Typ 3	(11 oder 13) h	10 oder 15	3	(6 oder 8) h

Die Berechnung der Kerbschlagzähigkeit (Charpy) wird nach folgender Gleichung durchgeführt.

$a_{cN}\,=\,{\frac {W_{c}}{h\cdot b_{N}}}$

mit

Wc

Schlagarbeit

Eine Zusammenstellung von Literaturergebnissen zur Kerbschlagzähigkeit a_cN ist in dem in den Literaturhinweisen angegebenen Landolt-Börnstein Band VII/6A3 enthalten.

Literaturhinweise

• Langer, B., Grellmann, W.: Impact Loading. Charpy Impact Strength. In: Grellmann, W., Seidler, S.: Mechanical and Thermomechanical Properties of Polymers. Landolt-Börnstein. Volume VIII/6A3, Springer Verlag, Berlin (2014) 192–218, (ISBN 978-3-642-55165-9; siehe AMK-Büchersammlung unter A 16)
• Russel, S. B. (1898): Experiments with a New Machine for Testing Materials by Impact. American Society of Civil Engineers 39/826, 237–250 [Reprint: Siewert, T. A., Manahan S. (Eds.) (2000): The Pendulum Impact Testing: A Century of Progress. ASTM STP 1380, 17–45]
• Charpy, G. A. A. (1901): Essay on the Metals Impact Bend Test of Notched Bars. [Reprint: Siewert, T.A., Manahan, S. (Eds.) (2000): The Pendulum Impact Testing: A Century of Progress. ASTM STP 1380]; Charpy, A.G.A (1901): Note sur L’essai des metaux a la flexion par choc de barreaux entailles. Association internationale pour l’essai des materiaux. Congres de Budapest 1901 [auch veröffentlicht in: Soc. Ing. Civ. de Francis. Juni 1901, 848–877]
• Charpy, G. A. A. (1904): Report on Impact Test of Metals. Proc. Intern. Association for Testing Materials, Vol. I, Report III
• Grellmann, W., Seidler, S. (Hrsg.): Kunststoffprüfung. Carl Hanser Verlag, München (2015) 3. Auflage, S. 159ff (ISBN 978-3-446-44350-1; siehe AMK-Büchersammlung unter A 18)
• DIN EN ISO 179-1 (2010-06) Kunststoffe – Bestimmung der Charpy-Schlageigenschaften – Teil 1: Nichtinstrumentierte Schlagzähigkeitsprüfung

Kerbschlagbiegeversuch nach Dynstat

Die Ermittlung der Zähigkeitseigenschaften mittels DYNSTAT-Anordnung wird bevorzugt dann angewendet, wenn nur geringe Materialmengen zur Verfügung stehen (z.B. bei der Bauteilprüfung). In der DIN 53435 wird die Kerbschlagzähigkeit a_k von gekerbten Prüfkörpern in der Schlagbiegeanordnung (DS – K) nach folgender Gleichung ermittelt:

DYNSTAT-Kerbchlagzähigkeit:

$a_{k}\,=\,{\frac {A_{n}}{h_{k}\cdot b}}$

mit

An		die vom Prüfkörper aufgenommene Schlagarbeit
hk	≈	2/3 der ursprünglichen Dicke h

Im Bild 2 ist schematisch die Schlagbiegeanordnung eines ungekerbten Prüfkörpers dargestellt.

Bild 2:

Schlagbiegeanordnung DS – K zur Ermittlung der Zähigkeit unter Nutzung der DYNSTAT-Anordnung

Die für den Versuch möglichen Pendelhammerenergien sind 0,2 J, 0,5 J, 1,0 J und 2,0 J bei einer Auftreffgeschwindigkeit des Pendelhammers von 2,2 m/s. Die Prüfkörper werden spanend aus dem Formteil (Fertigteil) hergestellt. Alle Oberflächen und Kanten dürfen beim Betrachten mit dem bloßen Auge keine Beschädigungen und Fehlstellen erkennen lassen. Gegebenenfalls müssen durch Schleifen (Körnung 220 oder feiner) und anschließendes Polieren entstandene Riefen in Längsrichtung beseitigt werden.

Die Abmessungen des rechteckigen Querschnitts der gekerbten Prüfkörper sind:

Länge l	=	(15 ± 1) mm
Breite b	=	(10 ± 0,5) mm
Dicke h	=	1,2 – 4,5 mm

In die Prüfkörper wird ein U-Kerb (0,8 ± 0,1) mm quer, d.h. senkrecht zur Stabachse eingesägt, eingehobelt oder eingefräst. Dabei ist die Kerbtiefe so zu wählen, dass der Restquerschnitt 2/3 des ursprünglichen Querschnittes beträgt. Der Prüfkörper wird kraftschlüssig senkrecht eingelegt, wobei die Einleglänge l_E (5,5 ± 0,1) mm beträgt.

Literaturhinweise

• DIN 53435 (1983-07): Prüfung von Kunststoffen – Biegeversuch und Schlagbiegeversuch an Dynstat-Probekörpern
• Langer, B., Grellmann, W.: Impact Loading. Dynstat Strength. In: Grellmann, W., Seidler, S.: Mechanical and Thermomechanical Properties of Polymers. Landolt-Börnstein. Volume VIII/6A3, Springer Verlag, Berlin (2014) 230–232, (ISBN 978-3-642-55165-9; siehe AMK-Büchersammlung unter A 16)

Kerbschlagbiegeversuch nach Izod

Die Bestimmung der IZOD-Kerbschlagzähigkeit nach der Norm DIN EN ISO 180 erfolgt sowohl für steife thermoplastische Spitzguss- und Extrusionsformmassen, duroplastische Werkstoffe und thermotrope flüssigkristalline Polymere als auch für gefüllte und verstärkte Werkstoffe. Dabei wird die beim Bruch aufgenommene Schlagarbeit E_C eines gekerbten Prüfkörpers auf die Anfangsquerschnittsfläche des Prüfkörpers an der Kerbe bezogen ensprechend der folgenden Gleichung:

IZOD-Kerbschlagzähigkeit

$a_{iN}\,=\,{\frac {E_{c}}{h\cdot b_{N}}}$

mit

Ec		Schlagarbeit
h		Dicke
bN		Restbreite am Kerbgrund

Im Unterschied zu der Prüfung von gekerbten Prüfkörpern in der Charpy-Anordnung, wo der Schlag auf die dem Kerb gegenüberliegende Seite erfolgt, schlägt der Pendelhammer in der IZOD-Anordnung auf die Seite, auf der sich der Kerb befindet. Eine schematische Darstellung der Zähigkeitsprüfung in der IZOD-Anordnung zeigt Bild 3.

Bild 3:

Schlagbeanspruchung bei IZOD-Anordnung

Die Prüfkörper können nach der entsprechenden Formmassen-Norm oder durch Pressen und Spritzgießen hergestellt oder aus Vielzweckprüfkörpern entnommen werden. Die Abmessungen der unterschiedlichen Prüfkörper sind in der Tabelle aufgeführt.

Tabelle: Prüfkörpertypen und -abmessungen für den Schlagbiegeversuch nach DIN EN ISO 180

Prüfverfahren/ Bezeichnung	Prüfkörper (mm)	Kerbart	Kerbgrundradius rN (mm)	Restbreite am Kerbgrund bN (mm)
DIN EN ISO 180/A	Länge l = 80 ± 2 Breite b = 10,0 ± 0,2 Dicke h = 4,0 ± 0,2	A	0,25 ± 0,05	8,0 ± 0,2
DIN EN ISO 180/B		B	1,0 ± 0,05

Literaturhinweise

• DIN EN ISO 180 (2013-08): Kunststoffe – Bestimmung der Izod-Schlagzähigkeit
• Langer, B., Grellmann, W.: Impact Loading. Izod Impact Strength. In: Grellmann, W., Seidler, S.: Mechanical and Thermomechanical Properties of Polymers. Landolt-Börnstein. Volume VIII/6A3, Springer Verlag, Berlin (2014) 218–230, (ISBN 978-3-642-55165-9; siehe AMK-Büchersammlung unter A 16)

Instrumentierter Kerbschlagbiegeversuch (IKBV)

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

Das Bild zeigt die Bedeutung der instrumentierten Versuchsführung (siehe Instrumentierung) bei der Durchführung des Kerbschlagbiegeversuches auf. Während die Kerbschlagarbeit K, die im Rahmen der konventionellen Zähigkeitsbewertung aufgrund ihres integralen Charakters für beide Werkstoffe gleich ist, zeigt das Ergebnis des instrumentierten Versuches deutliche Unterschiede bezüglich der Kraft und der Verformungskomponente. Darüber hinaus ermöglicht die Durchführung des instrumentierten Kerbschlagbiegeversuches die Ermittlung von bruchmechanischen Zähigkeitskenngrößen.

Bild 4:

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

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. Darüber hinaus dient der instrumentierte Kerbschlagbiegeversuch auch als experimentelle Grundlage einer bruchmechanischen Zähigkeitscharakterisierung.

Literaturhinweise

• DIN EN ISO 179-2 (2012-06): 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 (2014-08): Prüfung von Kunststoffen – Instrumentierter Kerbschlagbiegeversuch: Prozedur zur Ermittlung des Risswiderstandsverhaltens aus dem instrumentierten Kerbschlagbiegeversuch
• Langer, B., Grellmann, W.: Fracture Mechanics Properties. Impact Loading. In: Grellmann, W., Seidler, S.: Mechanical and Thermomechanical Properties of Polymers. Landolt-Börnstein. Volume VIII/6A3, Springer Verlag, Berlin (2014) 399–422, (ISBN 978-3-642-55165-9; siehe AMK-Büchersammlung unter A 16)