Zähigkeit

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Zähigkeit

Allgemeines

Bei dem Einsatz von Kunststoffbauteilen in verschiedenen Industriezweigen wie der Automobilindustrie, dem Bauwesen, dem chemischen Apparatebau, der Mikroelektronik oder dem Hausgerätesektor ist die Zähigkeit eine wichtige Werkstoffkenngröße, die prüftechnisch mit unterschiedlichen Prüfmethoden nachgewiesen werden muss.
Dabei treten neben statischen und schwingenden (dynamischen) auch sehr häufig schlag- oder stoßartige Beanspruchungen auf (siehe auch: Schlagbeanspruchung Kunststoffe).

Methoden der Zähigkeitsprüfung

Auf Grund der vergleichsweise einfachen Durchführbarkeit konventioneller Zähigkeitsprüfmethoden werden

• der Schlag- und Kerbschlagbiegeversuch
  • in Charpy-Anordnung nach DIN EN ISO 179-1 [1], Kenngrößen: Schlagzähigkeit a_cU, Kerbschlagzähigkeit a_cN
  • in Izod-Anordnung nach DIN EN ISO 180 [2], Kenngrößen: Schlagzähigkeit a_iU, Kerbschlagzähigkeit a_iN
    
  • in Dynstat-Anordnung nach DIN 53435 [3], Kenngrößen: Schlagzähigkeit a_dU, Kerbschlagzähigkeit a_dA bzw. a_dD
    
• der uniaxiale Schlagzug- und Kerbschlagzugversuch nach DIN EN ISO 8256 [4]
  
  • Kenngrößen: Schlagzugzähigkeit a_tU, Kerbschlagzugzähigkeit a_tN und
• der biaxiale Durchstoß- oder Fallbolzenversuch nach DIN EN ISO 6603-1 [5]
  

Kenngröße: 50 % Schädigungsarbeit E₅₀

häufig eingesetzt, wobei der Einsatz in der Qualitätssicherung unumstritten ist. Zusätzliche Informationen zu diesen Kenngrößen werden mit den instrumentierten Prüfverfahren nach DIN EN ISO 179-2 [6] und DIN EN ISO 6603-2 [7] erhalten, da hier Kraft-Verformungs-Diagramme mit erhöhten Aussagegehalt registriert werden.

Bedeutung der bruchmechanischen Prüfung

Eine neue Generation von Werkstoffkenngrößen mit wesentlich erhöhtem Informationsgehalt stellen geometrieunabhängige bruchmechanische Kenngrößen dar (siehe: Geometriekriterium), die als Zielgrößen in der Werkstoffentwicklung und bei der Dimensionierung von Bauteilen dienen [8], wobei auch hier die Grundvoraussetzung der Anwendung instrumentierter Prüfmethoden, allerdings mit variierten Prüfbedingungen, besteht.

Die wichtigsten Methoden der Bruchmechanischen Prüfung sind nach der Art der Beanspruchung in quasistatische, zyklische und schlagartige Prüfung untergliedert. Als Kenngrößen werden die

• Bruchzähigkeit K_Ic oder K_Id (siehe Bruchmechanik)
• Kritische Rissöffnungsverschiebung δ_IC oder δ_Id und die
• J-Integralwerte (siehe J-Integral Auswertemethoden)

ermittelt, die es ermöglichen, eine Reihe von Einflussfaktoren auf das Zähigkeitsverhalten, wie konstruktiv bedingte Kerben, fertigungsbedingte Defekte, mehrachsige Spannungszustände, mediale Beanspruchungen, tiefe Temperaturen und hohe Geschwindigkeiten in ihrer Wirkung gezielt zu berücksichtigen.

Von Blumenauer [9] wird auf die kombinierte Wirkung dieser Faktoren, insbesondere bei niedrigen Temperaturen, dem Vorliegen von Rissen und Kerben, Eigenspannungen sowie einer schlagartigen Beanspruchung verwiesen. Die Bruchspannung kann hier erheblich unter der Streckgrenze des Werkstoffes liegen, man spricht hier von einem Niederspannungsbruch. Für Kunststoffe wird mit sinkender Temperatur z. B. bei Einsatztemperaturen unterhalb der Glastemperatur, häufig ein Wechsel im Deformations- und Bruchmechanismus vom Zähbruch zum Sprödbruch (siehe: Brucharten) beobachtet. Hier wird die Untersuchung der gesamten Temperaturabhängigkeit der Kennwerte erforderlich, um den Zähigkeitsnachweis mit Hilfe von Übergangstemperaturen (siehe Spröd-Zäh-Übergangstemperatur) oder auch Grenztemperaturen führen zu können.

Eine umfangreiche Zusammenstellung von bruchmechanischen Kennwerten für Kunststoffe, Elastomere und Verbundwerkstoffe ist in [10–12] zusammengestellt.

Literaturhinweise

[1]	DIN EN ISO 179-1 (2010-11): Kunststoffe – Bestimmung der Charpy-Schlageigenschaften – Teil 1: Nicht instrumentierte Schlagzähigkeitsprüfung
[2]	DIN EN ISO 180 (2020-03): Kunststoffe – Bestimmung der Izod-Schlageigenschaften
[3]	DIN 53435 (2018-09): Prüfung von Kunststoffen – Biegeversuch und Schlagbiegeversuch an Dynstat-Probekörpern
[4]	DIN EN ISO 8256 (2005-05): Kunststoffe – Bestimmung der Schlagzugzähigkeit
[5]	DIN EN ISO 6603-1 (2000-10): Kunststoffe – Bestimmung des Durchstoßverhaltens fester Kunststoffe – Teil 1: Nicht-Instrumentierter Schlagversuch
[6]	DIN EN ISO 179-2 (2018-08): Kunststoffe – Bestimmung der Charpy-Schlageigenschaften – Teil 2: Instrumentierte Schlagzähigkeitsprüfung (Normentwurf)
[7]	DIN EN ISO 6603-2 (2002-04): Kunststoffe – Bestimmung des Durchstoßverhaltens fester Kunststoffe – Teil 2: Instrumentierter Schlagversuch
[8]	Grellmann, W., Seidler, S.: Kunststoffprüfung. Carl Hanser Verlag, München (2015) 3. Auflage S. 247‒303 (ISBN 978-2-446-44350; siehe AMK-Büchersammlung unter A 18)
[9]	Blumenauer, H., Pusch, G.: Technische Bruchmechanik. Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie, Leipzig (1993) 3. Auflage, S. 42‒49 (ISBN 3-342-00659-5; siehe AMK-Büchersammlung unter E 29-3)
[10]	Grellmann, W., Seidler, S.: Mechanical and Thermomechanical Properties of Polymers, Landolt-Börnstein. Volume VIII/6A3, Springer Verlag, Berlin (2014), (ISBN 978-3-55165-9; siehe AMK-Büchersammlung unter A 16)
[11]	Grellmann, W., Reincke, K.: Technical Material Diagnostics – Fracture Mechanics of Filled Elastomer Blends. In: Grellmann, W., Heinrich, G., Kaliske, M., Klüppel, M., Schneider, K., Vilgis, T. (Eds.): Fracture Mechanics and Statistical Mechanics of Reinforced Elastomeric Blends. Springer Verlag Berlin Heidelberg, (2013), (ISBN 978-3-642-37909-3; siehe AMK-Büchersammlung unter A 14)
[12]	Grellmann, W., Langer, B. (Hrsg.): Deformation and Fracture Behaviour of Polymer Materials. Springer Series in Materials Science 247, Springer Verlag, Berlin Heidelberg (2017), (ISBN 978-3-319-41877-3; e-Book: ISBN 978-3-319-41879-7; siehe AMK-Büchersammlung unter A 19)