Kugeldruckhärte: Unterschied zwischen den Versionen
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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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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. | 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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+ | 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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− | |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. | + | |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''': | |'''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. | + | |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 | * 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) | + | * [[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) |
− | * 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) | + | * 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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Aktuelle Version vom 13. August 2019, 07:38 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.
Bild 1: | Gültigkeitsbereich der Kugeldruckhärte |
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).
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.
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.
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)