Biegeversuch Fließspannung

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Biegeversuch Fließspannung

Allgemeine Grundlagen

Wie im Zugversuch sind auch bei der Biegebeanspruchung die unterschiedlichen Deformationsanteile, die zeitlich und lastabhängig wirksam werden, bei der Bewertung der Messergebnisse zu berücksichtigen. In Abhängigkeit vom Typ des Kunststoffes treten dabei ebenfalls linear-elastische, linear-viskoelastische, nichtlinear-viskoelastische und plastische Verformungsanteile auf, wobei das Verhältnis der Deformationsanteile in Bezug auf die Gesamtdeformation vom jeweiligen Kunststoff sowie den Beanspruchungsbedingungen (Temperatur und Zeit) abhängt. Aufgrund der linear über den Querschnitt verteilten Lastspannung tritt die größte Zug- oder Druckspannung [1] immer in der äußeren Randfaser des Biegeprüfkörpers auf. Damit resultiert ein über der Prüfkörperhöhe oder -dicke unterschiedliches Belastungsniveau, wodurch die einzelnen Deformationsanteile zeitlich und örtlich gleichzeitig auftreten können. Da somit immer nur einzelne symmetrisch liegende Schichten im Prüfkörper die Fließspannung erreichen, wird eine ausgeprägte Streckgrenze in Analogie zum Zugversuch nicht beobachtet.

Das mikroskopische Fließen und die makroskopische Einschnürung

Unter der Voraussetzung eines homogenen und isotropen Prüfkörperzustandes ohne innere Fehlstellen (Lunker oder Agglomerationen) wird bei Erreichen der werkstoffabhängigen Fließspannung im Zugversuch der am höchsten belastete Prüfkörperquerschnitt in den Zustand des „kalten“ Fließen übergehen, was makroskopisch durch eine Einschnürung sichtbar wird (Bild 1).

Bild 1:

Auswirkung des Erreichens der Fließspannung im Zugversuch

In der Folge wird das Spannungsniveau konstant bleiben während die Deformation stetig zunimmt. Der energetische Umsatz im Versuch ist im Fließbereich im Wesentlichen auf die Einschnürfronten beschränkt, so dass in den noch undeformierten und schon verstreckten Bereichen die Deformation stagniert. Ist der durch Temperatur und Prüfgeschwindigkeit beeinflusste Fließbereich in der Deformationsfähigkeit erschöpft, wird anschließende oftmals ein werkstoffabhängiger Verfestigungsprozess (hardening) beobachtet. Da im Biegeversuch Zonen unterschiedlichen Spannungsniveaus auftreten, wird ein derartiges Verhalten wie im Zugversuch nicht beobachtet (Bild 2).

Bild 2:

Auswirkung des Erreichens der Fließspannung im Biegeversuch

Die Auswirkungen auf das sich real einstellende Spannungs- und Deformationsfeld sind bei Eintreten einer Fließgrenze im Gegensatz zu dem theoretischen Zug-Druck-Verhalten insbesondere in der Randfaser des Prüfkörpers feststellbar. Aufgrund dieses Sachverhaltes wird speziell bei Erreichen der Fließgrenze, also einsetzender plastischer Verformung, eine von der Linearität abweichende Spannungsverteilung über den Querschnitt resultieren.
Die jeweils Außen liegenden Prüfkörperschichten werden zuerst eine konstante Spannung aufweisen. Mit zunehmender Lastspannung verschieben sich die Fließzonen in das Innere in Richtung der neutralen Faser. Diese Verschiebung kann asymmetrisch sein, wenn die Fließspannung im Zugversuch σ_ty unterschiedlich zur Druckfließspannung (Quetschgrenze) σ_cy ist. Je nachdem, ob Verfestigungseffekte bei dem untersuchten Werkstoff beobachtet werden, können weitere Änderungen der Spannungsverteilung im Biegeversuch auftreten.

Fließspannungen im Zug- und Druckversuch

Die im Bild 3 aufgeführten Deformationseffekte zeigen die Auswirkungen bei Annahme von unterschiedlichem Werkstoffverhalten. Berücksichtigt man das differierende Verhalten der Kunststoffe bei Zug- und Druckbeanspruchung, wie es sich in der Praxis z. B. schon in verschiedenen Moduli beim Zug- und Druckversuch äußert, dann ist bei größeren Deformationen die Annahme der Symmetrie der neutralen Faser hinfällig (Bild 3), wie die eintretende Verschiebung der neutralen Faser zeigt. Die resultierenden Biegespannungen auf der Zug- und Druckseite des Prüfkörpers sind dann im Gegensatz zur Berechnungsgleichung der Norm [2] unterschiedlich.

Bild 3:

Einfluss von unterschiedlichem Werkstoffverhalten und Fließspannungen im Zug- und Druckversuch

Literaturhinweise

[1]	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)
[2]	DIN EN ISO 178 (2017-06): Kunststoffe – Bestimmung der Biegeeigenschaften (Normentwurf)