Instrumentierte Pendelschlagprüfung an Kunststoffen

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Irma Eberhardt
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1 Prüfen mit Verstand Instrumentierte Pendelschlagprüfung an Kunststoffen

2 Agenda Pendelschlagprüfung Grundlagen Versuche / Prüfserien Zusammenfassung 2

3 Pendelschlagprüfung Grundlagen Zwick bietet ein vollständiges Lieferprogramm für Pendelschlagwerke zur Kunststoffprüfung Charpy Izod 5 Joule ISO Notch cutting machine Tensile impact Dynstat 5.5 / 25 / 50 Joule universal, digital Manual notch cutter Automation Instrumentation 3

Pendelschlagprüfung Grundlagen Es gibt vier genormte

Konzentration in diesem Vortrag auf die Charpy Prüfung, da

(ISO 179 2) Charpy Prüfaufbau ISO 179, ASTM D 6110 IZOD

4 Pendelschlagprüfung Grundlagen Es gibt vier genormte Verfahren der Pendelschlagprüfung. Konzentration in diesem Vortrag auf die Charpy Prüfung, da nur diese instrumentiert genormt ist. (ISO 179 2) Charpy Prüfaufbau ISO 179, ASTM D 6110 IZOD Prüfaufbau ISO 180, ASTM D 256 Schlagzug Prüfaufbau Hier: ISO 8256 Verfahren A Dynstat Schlagversuch DIN

5 Pendelschlagprüfung Grundlagen Das Charpy Prüfverfahren ist das Vorzugsverfahren in der ISO Norm. Normen: ISO 179 Teil 1 und 2 ASTM D 6110 Ungekerbt oder gekerbt Bruchart optisch beurteilen Es wird immer der größtmögliche Pendelhammer verwendet maximale Pendelausnutzung 10 bis 80% des Arbeitsvermögens des Pendels Übliche Schlagzähigkeitseinheiten sind flächenbezogene Energien ( kj/m²) 1 Ergebnis in kj bzw. kj/m² 5

6 Pendelschlagprüfung Grundlagen In der konventionellen Pendelschlagprüfung wird die Schlagzähigkeit mit Hilfe der Fallhöhe und Masse des Pendels ermittelt. E m h g Energie Masse des Pendels Höhe Erdbeschleunigung ( 9,81 m/s²) E 1 = m g h 1 E 2 = m g h 2 h 1 h 2 E Probekörper = m g (h 1 h 2 ) 6

7 Pendelschlagprüfung Grundlagen Um das Material charakterisieren zu können, ist es wichtig die Versagensart zu kennen. Genormte Brucharten: N Nicht Bruch P Teilbruch H Scharnierbruch C vollständiger Bruch N Die am häufigsten auftretende Bruchart in einer Testserie bestimmt die Ergebnisse, die in der Statistik verwendet werden. 7

Pendelschlagprüfung Grundlagen Es gibt kein gültiges Prüfergebnis ohne die Versagensart zu kennen. Vorgehensweise laut ISO Norm: 1. Wenn möglich sollte der Probekörper ungekerbt geprüft werden. 2.

8 Pendelschlagprüfung Grundlagen Es gibt kein gültiges Prüfergebnis ohne die Versagensart zu kennen. Vorgehensweise laut ISO Norm: 1. Wenn möglich sollte der Probekörper ungekerbt geprüft werden. 2. Wenn kein gültiger Bruch erzielt werden kann: Kerben Sie den Probenkörper mit einer Kerbe von Typ A (Radius des Kerbgrundes r N =0.25 mm) 3. Wenn weiterhin kein gültiger Bruch erzielt werden kann: Kerben Sie den Probenkörper mit einer Kerbe von Typ C (r N =0.1 mm) 4. Wenn weiterhin kein gültiger Bruch erzielt werden kann: Nutzen Sie die Schlagzug Methode

9 Agenda Pendelschlagprüfung Grundlagen Versuche / Prüfserien Zusammenfassung 9

10 conventional hammer instrumented hammer Instrumentierte Pendelschlagprüfung Instrumentierte Pendelschlagwerke der HIT Baureihe erfassen zusätzliche Materialdaten. Einsatz in der F&E / QS Einsatz im Forschungsbereich Charpy Izod Schlagzug Bruchmechanik 10

11 Instrumentierte Pendelschlagprüfung Die Klassifizierung der Probe in verschiedene Brucharten, kann mit Hilfe der Instrumentierung ermittelt werden. F E s = F s E Probekörper E Probekörper Materialien mit gleiche Schlagzähigkeiten können unterschiedliche Materialeigenschaften aufweisen. Der Kraftverlauf dargestellt über die Verformung des Probekörpers gibt Auskunft über die Art des Bruchs und somit über die Eigenschaften des Materials. Dies ist mit konventioneller Schlagprüfung nicht möglich. s E Energie F Kraft s Verformung 11

12 F [kn] F [kn] Instrumentierte Pendelschlagprüfung Probekörper mit der selben Schlagzähigkeit können unterschiedliche Materialeigenschaften aufweisen C -35 C 50 C s [mm] -50 C -35 C 50 C s [mm]

13 Versuche / Prüfserien F M maximale Aufschlagkraft F I Trägheitsmaximum Kontakt zwischen Probekörper und Hammer bricht ab. 13 s M Durchbiegung bei maximaler Aufschlagkraft

14 Instrumentierte Pendelschlagprüfung In Zusammenarbeit mit der Firma Borealis wurde eine automatische Kurvenerkennung nach ISO entwickelt. Nicht Bruch Teil Bruch Durch instrumentierte Schlagprüfung können zusätzliche Erkenntnisse über Materialkennwerte und Materialeigenschaften gewonnen werden. Zähbruch Sprödbruch Splitterbruch Bruchmechanische Untersuchen durchgeführt werden. Bruchbeurteilungen automatisiert durchgeführt werden (bei manueller oder automatisierter Prüfung). 14

15 Instrumentierte Pendelschlagprüfung Wie funktioniert instrumentierte Pendelschlagprüfung messtechnisch bei Zwick? 15

16 Instrumentierte Pendelschlagprüfung Für die Ermittlung der Energie wird die Verformung des Probekörpers (s) benötigt. F E specimen = F s E specimen = F s ds E Energie W Arbeit (Energie) F Kraft s Verformung Die Verformung s wird nicht direkt gemessen. Die Ermittlung aus der gemessenen Kraft wird auf den folgenden Folien dargestellt. E Probekörper s 16

17 Instrumentierte Pendelschlagprüfung Die Kraftmessung kann mit zwei unterschiedlichen Systemen erfolgen: DMS oder Piezoquarz. Instrumentierung DMS Piezoquarz Vorteile Leicht Hohe Eigenfrequenz Nicht positionsempfindlich Hinreichend hohe Eigenfrequenz Nachteile Positionsempfindlich Zusätzliche Grenzflächen 17

18 Instrumentierte Pendelschlagprüfung Bei zu geringer Eigenfrequenz des Aufnehmers, wird das Messsignal stark durch die Eigenschwingung überlagert und das Ergebnis ist unbrauchbar. Mechanische Eigenfrequenz des Aufnehmers bei 12,5kHz Dadurch wird das Messsignal stark durch die Eigenschwingung überlagert Ergebnis unbrauchbar Negative Ausschläge dürfen bei Charpy Prüfung nicht auftreten 18

19 Instrumentierte Pendelschlagprüfung Ist die Eigenfrequenz des Aufnehmers ausreichend hoch, werden die charakteristischen Eigenschaften der Probe gezeigt und das Ergebnis ist gut. Aufnehmer mit hoher Eigenfrequenz (hier 40 khz) Charakteristische Eigenschaften der Probe werden gezeigt Eigenfrequenz des Aufnehmers 3 x Frequenz des Probenkörpers 19

20 Instrumentierte Pendelschlagprüfung Mit Hilfe der Instrumentierung wird der Kraftverlauf in Abhängigkeit der Zeit gemessen. m F E Energie t Zeit F Kraft s Verformung m Masse 20

Instrumentierte Pendelschlagprüfung Durch doppelte Integration kann aus der Kraftmessung bzw. der Beschleunigung a der Weg s ermittelt werden.

21 Instrumentierte Pendelschlagprüfung Durch doppelte Integration kann aus der Kraftmessung bzw. der Beschleunigung a der Weg s ermittelt werden. F = m a a = F/m F Kraft m Masse a Beschleunigung v Geschwindigkeit s Verformung / Weg t Zeit Integration Integration Nur symbolische Darstellung 21

22 Instrumentierte Pendelschlagprüfung Durch die ermittelte Verformung s, kann die Energie zur Ermittlung der Schlagzähigkeit berechnet werden. E Energie W Arbeit (Energie) F Kraft s Verformung E Probekörper = F s ds 4 mm 10 mm a cuodern = E Probeköper Probenquerschnitt angegeben in kj/m²] 22

23 Agenda Pendelschlagprüfung Grundlagen Versuche / Prüfserien Zusammenfassung 23

24 Versuche / Prüfserien F M maximale Aufschlagkraft F I Trägheitsmaximum Kontakt zwischen Probekörper und Hammer bricht ab. 24 s M Durchbiegung bei maximaler Aufschlagkraft

25 Versuche / Prüfserien 4mm 25

26 Versuche / Prüfserien Welche Bruchart liegt vor? N Nicht Bruch 26

27 Versuche / Prüfserien Welche Bruchart liegt vor? b Sprödbruch 27

28 Versuche / Prüfserien Welche Bruchart liegt vor? P - Teilbruch 28

29 Versuche / Prüfserien Welche Bruchart liegt vor? s Splitterbruch 29

30 Agenda Pendelschlagprüfung Grundlagen Versuche / Prüfserien Zusammenfassung 30

31 Zusammenfassung Zwick bietet ein vollständiges Lieferprogramm für Pendelschlagwerke zur Kunststoffprüfung. In der konventionellen Pendelschlagprüfung wird die Schlagzähigkeit mit Hilfe der Höhe und Masse des Pendels ermittelt. Zur Charakterisierung des Materials ist es wichtig die Versagensart zu kennen. Durch instrumentierte Schlagprüfung können zusätzliche Erkenntnisse über Materialkennwerte und Materialeigenschaften gewonnen werden. Bruchmechanische Untersuchen durchgeführt werden. Bruchbeurteilungen automatisiert durchgeführt werden (bei manueller oder automatisierter Prüfung). 31

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