Kerbschlagzugversuch

Kerbschlagzugversuch

Konventioneller Kerbschlagzugversuch

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Polymer Service GmbH Merseburg

Das Ziel des konventionellen Kerbschlagzugversuches nach DIN EN ISO 8256 „Kunststoffe – Bestimmung der Schlagzugzähigkeit“ besteht darin, das Verhalten von Prüfkörpern unter verhältnismäßig hoher Schlaggeschwindigkeit zu untersuchen und die Zähigkeit bzw. Sprödigkeit von Folien und Elastomeren zu bewerten [1].

Prinzipiell eignet sich der Kerbschlagzugversuch (Verwendung gekerbter Prüfkörper) besonders für die Untersuchung solcher Werkstoffe, für die die Durchführung von Schlagbiegeversuchen und Kerbschlagbiegeversuchen nach Charpy (Dreipunktbiegeanordnung) aufgrund der Prüfkörperbeschaffenheit (Dicke, Flexibilität) ungeeignet ist. Sehr dünne, z.B. aus Folien hergestellte oder sehr flexible Prüfkörper (Elastomerwerkstoffe), können demzufolge einer Schlagbeanspruchung unterworfen und somit ihre Zähigkeitseigenschaften unter schlagartigen Beanspruchungsbedingungen bewertet werden.

Die Prüfung erfolgt beim Kerbschlagzugversuch mit verhältnismäßig hoher Verformungsgeschwindigkeit. Das Verfahren eignet sich für Prüfkörper, die aus Formmassen, Halbzeugen oder Formteilen hergestellt sind und wird zur Produktions- und Qualitätskontrolle genutzt. Mit dem konventionellen Kerbschlagzugversuch ist es außerdem möglich, das mechanische Anisotropieverhalten zu erfassen, indem Prüfkörper in unterschiedlichen Richtungen aus Prüfplatten oder Bauteilen entnommen und geprüft werden.

Für die Durchführung derartiger Experimente werden Pendelschlagwerke verwendet, die mit den für Schlagzugversuche notwendigen Zusatzausrüstungen wie speziellen Pendelhämmer und Einspannvorrichtungen versehen sind (Beispiel Resil Impactor der Fa. Ceast).

Bild 1:

Pendelschlagwerk Resil Impactor der Fa. Ceast zur Durchführung von Schlag- und Kerbschlagzugversuchen

Die Abmessungen der Prüfkörper zur Bestimmung der Kerbschlagzugzähigkeit betragen:

Länge L	=	80 mm
Breite W	=	10 mm

Kerbtiefe a, der beidseitigen Kerben je 2 mm

Für die Durchführung von Kerbschlagzugversuchen werden die Prüfkörper mittels fester Klemmvorrichtung auf der einen Seite und Querjocheinspannung auf der anderen Seite innerhalb der Prüfeinrichtung fixiert. Nach dem Auslösen des Pendelhammers aus seiner Auslenkungsposition werden die Prüfkörper in Längsrichtung bis zum Bruch belastet. Im Ergebnis des Experimentes wird die Schlagarbeit E_c ermittelt und nachfolgend die konventionelle Kerbschlagzugzähigkeit a_tN bestimmt:

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

Literaturhinweis

[1] DIN EN ISO 8256 (2005): Kunststoffe – Bestimmung der Schlagzugzähigkeit

Instrumentierter Kerbschlagzugversuch

Der instrumentierte Kerbschlagzugversuch wird mit dem Ziel der Bestimmung bruchmechanischer Kennwerte von Folien und Elastomeren, jedoch auch von thermoplastischen Kunststoffen, durchgeführt.

Durch die Instrumentierung von Schlagzug-Pendelschlagwerken, d.h. die Anbringung von Dehnmessstreifen oder eines Piezokraftaufnehmers zur Aufzeichnung des Kraft-Zeit-Verlaufes, wird ein Wissenszuwachs bezüglich der Bewertung der Zähigkeitseigenschaften erreicht. Es ist möglich, unterschiedliche Energieanteile an der Gesamtverformung zu definieren und zu bewerten sowie Messgrößen wie Maximalkraft F_max und die zugehörige Verformungsgröße l_max zu ermitteln. Die Messgrößen liefern im Rahmen eines Werkstoffvergleiches oder im Rahmen einer Werkstoffoptimierung wichtige Hinweise zur Interpretation der ermittelten Risszähigkeitskennwerte.

Für die Untersuchungen werden doppelseitig metallklingengekerbten Prüfkörper (DENT-Prüfkörper, siehe Bild 2) verwendet.

Bild 2:

Doppelseitig gekerbter Prüfkörper für die Durchführung des Kerbschlagzugversuches

Die Auswahl des zu verwendenden Pendelhammers, und damit der maximal angebotenen Energie, erfolgt in Abhängigkeit von den Eigenschaften des zu untersuchenden Werkstoffes. Teilweise verfügen die Pendelschlagwerke auch über Zusatzeinheiten zur definierten Einstellung des Fallwinkels und damit der Pendelhammergeschwindigkeit. Das bedeutet, die bruchmechanischen Eigenschaften von Kunststoffen können in diesem Fall auch in Abhängigkeit von der Beanspruchungsgeschwindigkeit charakterisiert werden. Die Prüfkörper haben die Abmessungen L mindestes 64 mm, W = 10 mm und die Gesamtkerbtiefe a = 2 mm. Die Einspannlänge l₀ beträgt 30 mm. Die Versuchsanordnung ist in folgenden Bildern dargestellt.

Im Ergebnis des instrumentierten Kerbschlagzugversuches erfolgt auf der Grundlage der ausgewerteten Kraft-Verlängerungs-Diagramme die Berechnung von bruchmechanischen Zähigkeitskennwerten. Bei diesen Zähigkeitskennwerten handelt es sich bevorzugt um J_d-Werte, die den Widerstand des untersuchten Werkstoffes gegen die Ausbreitung eines instabilen Risses quantifizieren. Ein Vorteil dieser Kennwerte im Vergleich zu der im konventionellen Kerbschlagzugversuch ermittelten Kerbschlagzugzähigkeit a_tN besteht beispielsweise in ihrer besonderen Struktursensitivität.

Literaturhinweise

• MPK-Prozedur „MPK-IKZV“(2012-03): Prüfung von Kunststoffen – Instrumentierter Kerbschlagzugversuch: Prozedur zur Ermittlung des Risswiderstandverhaltens aus dem instrumentierten Kerbschlagzugversuch
• Grellmann, W., Seidler, S. (Hrsg.): Kunststoffprüfung. Carl Hanser Verlag, München (2011), 2. Auflage, S. 289ff, (ISBN 978-3-446-42722-8; siehe AMK-Büchersammlung unter A 12)
• K. Reincke: Bruchmechanische Bewertung von gefüllten und ungefüllten Elastomerwerkstoffe. Mensch & Buch Verlag, Berlin (2005), (ISBN 978-3-86664-021-4; siehe AMK-Büchersammlung unter B 1-13)

Weitere Literaturhinweise siehe Instrumentierung