Schlagbiegeversuch

Schlagbiegeversuch

Schlagbiegeversuch, 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 (Kerb-) Schlagzähigkeit 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 Schlag- und Kerbschlagbiegeversuch nach Charpy ist nach DIN EN ISO 179 genormt und dient der Beurteilung des Zähigkeitsverhaltens von Kunststoffen bei schlagartiger Beanspruchung unter Verwendung gekerbter und/oder ungekerbter 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).

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.

Schematische Darstellung der Charpy-Anordnung zur Durchführung von Schlagbiegeversuchen

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 Schlagbiegeversuch nach DIN EN ISO 179

Die Berechnung der Schlag- bzw. Kerbschlagzähigkeit (Charpy) wird nach folgenden Gleichungen durchgeführt.

$a_{cU}\,=\,{\frac {W_{c}}{h\cdot b}}$

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

mit W_c – Schlagarbeit

Literaturhinweise

• 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, A. G. 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 Wien (2005) 1. Auflage, S. 157ff, (ISBN 3-446-22086-0) (siehe AMK-Büchersammlung unter A 5)
• DIN EN ISO 179-1 (Entwurf 2009-08) Kunststoffe – Bestimmung der Charpy-Schlageigenschaften Teil 1: Nichtinstrumentierte Schlagzähigkeitsprüfung (ISO 179-1 AMD 1:2005)

Schlagbiegeversuch, Dynstat

Die Ermittlung der Zähigkeitseigenschaften mittels DYNSTAT-Anordnung wird bevorzugt dann angewendet, wenn nur geringe Materialmengen zur Verfügung stehen (z.B. bei der Bauteilprüfung). Dabei wird in der DIN 53435 zwischen der Prüfung von ungekerbten Prüfkörpern in der Biegeanordnung (DB – G) und der Prüfung von gekerbten Prüfkörpern in der Schlagbiegeanordnung (DS – K) unterschieden. Die Schlagzähigkeit a_n bzw. die Kerbschlagzähigkeit a_k wird nach folgenden Gleichungen ermittelt:

DYNSTAT-Schlagzähigkeit $a_{n}\,=\,{\frac {A_{n}}{h\cdot b}}$

A_n - die vom Prüfkörper aufgenommene Schlagarbeit

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

h_k $\approx$ 2/3 der ursprünglichen Dicke h

Im Bild ist schematisch die Schlagbiegeanordnung eines ungekerbten Prüfkörpers dargestellt.

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 ungekerbten Prüfkörper sind Länge l = (15 ± 1) mm, Breite b = (10 ± 0,5) mm und 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): Prüfung von Kunststoffen – Biegeversuch und Schlagbiegeversuch an Dynstat-Probekörpern

Schlagbiegeversuch, Izod

Die Bestimmung der IZOD-Schlagzähigkeit 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 EC eines ungekerbten Prüfkörpers auf die Anfangsquerschnittsfläche des Prüfkörpers und die beim Bruch eines gekerbten Prüfkörpers aufgenommene Schlagarbeit auf die Anfangsquerschnittsfläche des Prüfkörpers an der Kerbe bezogen ensprechend der folgenden Gleichungen:

IZOD-Schlagzähigkeit	$a_{iU}\,=\,{\frac {E_{c}}{h\cdot b}}$
IZOD-Kerbschlagzähigkeit	$a_{iN}\,=\,{\frac {E_{c}}{h\cdot b_{N}}}$

mit E_c – Schlagarbeit, h – Dicke, b – Breite und b_N – 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 1.

Bild 1: Schlagbeanspruchung bei IZOD-Anordnung

Die Prüfkörper können nach der entsprechenden Formassen-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 Schlagversuch nach DIN EN ISO 180

Literaturhinweise

• ISO 180 (2000) und ISO 180 AMD 1 (2006): Plastics – Determination of Izod Impact Toughness [Deutsche Fassung: DIN EN ISO 180 (2007)