ISO 527-4 | ISO 527-5 Zugversuch Faserverbundwerkstoffe
Im Zugversuch nach ISO 527-4 und ISO 527-5 werden die elastischen Kennwerte Zugmodul und Poissonzahl sowie die Zugfestigkeit in den Hauptmaterialrichtungen faserverstärkter Kunststoffe ermittelt. ISO 527-4 beinhaltet die Prüfbedingungen für isotrop und anisotrop faserverstärkte Kunststoffe. Darunter fallen Verbundwerkstoffe mit nicht-unidirektionalen Verstärkungen, z.B. Matten, Gewebe oder geschnittene Fasern sowie multi-direktionale Laminate aus unidirektionalen Einzelschichten. ISO 527-5 beinhaltet die Prüfbedingungen für unidirektional (UD) faserverstärkte Kunststoffe. Beide Normen beziehen sich für die allgemeinen Grundsätze zur Bestimmung der Zugeigenschaften auf ISO 527-1.
Eine weitere häufig angewandte Norm für die Zugprüfung von lang- oder endlos faserverstärkten Kunststoffen ist ASTM D3039, welche die Prüfbedingungen für sowohl isotrop und anisotrop faserverstärkte Kunststoffe als auch für unidirektionale Faserverbundkunststoffe beinhaltet.
Ziel und Kennwerte Video Versuchs-Durchführung & Prüfmittel Prüfbedingungen Probekörper & Abmessungen Weiterführende Informationen Downloads
Ziel der Prüfung und ermittelte Kennwerte nach ISO 527-4 und ISO 527-5
Zugversuche für faserverstärkte Kunststoffe werden u.a. zur Ermittlung der Zugeigenschaften bei der Materialentwicklung und Qualifizierung, zur Kennwertbestimmung für Auslegung und Design von Composite Strukturen, sowie in der Qualitätssicherung durchgeführt. Unabhängig von der Art der Faserverstärkung werden in ISO 527-4 und ISO 527-5 folgende charakteristische Ergebnisse und Kennwerte ermittelt:
- Zugspannung: Kraft bezogen auf den Anfangsquerschnitt des Probekörpers
- Längsdehnung: Änderung der Messlänge bezogen auf die Anfangsmesslänge in Lastrichtung
- Querdehnung: Änderung der Messlänge bezogen auf die Anfangsmesslänge in Querrichtung (nur nötig wenn Poissonzahl ermittelt werden soll)
- Zugmodul: Steigung der Spannungs-Dehnungs-Kurve in einem festgelegten Dehnungsintervall im elastischen Bereich. Auch als Elastizitätsmodul oder kurz E-Modul bezeichnet
- Zugfestigkeit: Maximalwert der im Zugversuch ermittelten Zugspannung
- Bruchdehnung: Längsdehnung bei Erreichen der Zugfestigkeit
- Poissonzahl: negatives Verhältnis von Querdehnung und Längsdehnung
Sowohl ISO 527-4, ISO 527-5 als auch ASTM D3039 legen die Prüfbedingungen für den Zugversuch von faserverstärkten Kunststoffen fest. Trotz der Ähnlichkeit der Prüfmethoden sind die ermittelten Kennwerte nicht völlig vergleichbar, da die Probenformen und Probenabmessungen sowie die Kennwert-Bestimmung teils unterschiedlich sind (z.B. Dehnungsintervall für Zugmodul).
Wie wird der Zugversuch nach ISO 527-4 und ISO 527-5 durchgeführt
Probenhalter und Ausrichteinheit für sichere Prüfergebnisse nach ISO 527-4 und ISO 527-5
Für die Durchführung des Zugversuchs nach ISO 527-4 und ISO 527-5 wird die entsprechende Zugprobe in die Probenhalter einer statischen Prüfmaschine eingespannt. Es wird empfohlen die korrekte Ausrichtung der Probenhalter nach ISO 23788 oder ASTM E1012 regelmäßig zu überprüfen. Für Nadcap akkreditierte Prüflabore im Bereich der Luft- und Raumfahrt ist der Nachweis der Ausrichtung zwingend erforderlich. Mechanische Körper-über Keil oder hydraulische Körper-über-Keil Probenhalter sind für diese Anforderung optimal geeignet. Ist kein Nachweis über die Ausrichtung erforderlich können auch bedingt ausrichtfähige Keilschraub-Probenhalter eingesetzt werden.
Modulares Composite Prüfsystem
Größere Prüflabore mit entsprechend hohem Prüfaufkommen setzen für die sehr vielfältigen Composites Prüfmethoden unterschiedliche Prüfmaschinen ein und können so den Umbauaufwand minimieren. Die einzelnen Prüfmaschinen können dabei auf den Kraftbereich verschiedener Versuchsarten angepasst werden. Wenn das Prüfaufkommen nicht so hoch oder so regelmäßig ist, dass sich die Investition in mehrere Prüfmaschinen lohnt, ist es vorteilhaft, eine einzige Prüfmaschine so auszustatten, dass möglichst viele Prüfverfahren mit dem geringstmöglichen Umbauaufwand durchgeführt werden können.
Hierfür hat ZwickRoell ein modulares Konzept entwickelt, erhältlich als statische 100kN oder 250kN Prüfmaschine, mit der 21 Prüfmethoden und ca. 120 Prüfnormen (ISO, EN, ASTM, sowie Airbus AITM und Boeing BSS) abgedeckt sind und welches eine umfangreiche Charakterisierung von Faserverbundwerkstoffen bei Raumtemperatur oder bei Versuchen mit niedrigen oder erhöhten Temperaturen von -80°C bis +360°C ermöglicht
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testXpert unterstützt effizientes Prüfen und zuverlässige Prüfergebnisse nach ISO 527-4 und ISO 527-5:
- Sparen Sie sich das Studieren der Normen: Garantierte Normerfüllung durch Standard-Prüfvorschriften - darin sind alle Kennwerte und Parameter der ISO 527-4 und ISO 527-5 bereits hinterlegt.
- Maximale Prüfeffizienz schaffen Sie sich durch die Anbindung von Peripheriegeräten: Wenn die Probendimensionen von der Bügelmessschraube direkt an die Prüfsoftware geschickt werden, spart dies Zeit und Eingabefehler werden ausgeschlossen.
- Überprüfen und steuern Sie die Temperatur in der Kammer ebenfalls über die Software. Setzen Sie Temperaturrampen und sehen Sie nachvollziehbar auch im Nachhinein die eingehaltenen Werte.
Zugprüfmaschinen für ISO 527-4 und ISO 527-5
Für Zugversuche nach ISO 527-4 und ISO 527-5 mit Normprobekörpern und für viele andere genormte Prüfmethoden von faserverstärkten Kunststoffen ist die Verwendung einer 100 kN Prüfmaschine oft ausreichend. Mit der rechts gezeigten 100 kN Maschinenkonfiguration ist durch die Verwendung von mechanischen Körper-über-Keil Probenhaltern ein leichter Wechsel zwischen unterschiedlichen Prüfaufbauten und Prüfvorrichtungen möglich. Durch den einfachen Ausbau der Probehalter kann der gesamte Arbeitsraum der Prüfmaschine auch für Nicht-Standard Versuche verwendet werden. Die Standfüße ermöglichen eine individuelle und ergonomische Anpassung der Arbeitsraumhöhe.
Werden ausschließlich glasfaser-verstärkte Kunststoffe (GFK) geprüft, ist eine statische Prüfmaschine mit einer Maximalkraft von 50 kN in der Regel ausreichend.
Extensometer für die Dehnungsmessung nach ISO 527-4 und ISO 527-5
Für die korrekte Bestimmung der elastischen Kennwerte und der Bruchdehnung ist eine direkte Dehnungsmessung an der Probe erforderlich. Zur Bestimmung von E-Modul und Bruchdehnung ist die Messung der Längsdehnung ausreichend. Soll zusätzlich die Poissonzahl ermittelt werden, ist ein biaxiales Dehnungsmesssystem erforderlich, mit welchem auch die Querdehnung gemessen werden kann. Zulässig für die Dehnungsmessung sind dabei Dehnmessstreifen (DMS), kontaktierende Messsysteme wie Clip-on Extensometer (Einschränkung: nicht bis Probenbruch) oder automatische Fühlerarm Extensometer (makroXtens, multiXtens) oder auch berührungslos messende optische Systeme (videoXtens).
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Prüfbedingungen nach ISO 527-4 und ISO 527-5
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Prüfgeschwindigkeit
Die einzustellende konstante Prüfgeschwindigkeit ist abhängig vom Probentyp und der Motivation der Prüfung. Für Zugversuche zur Qualitätskontrolle können dabei höhere Geschwindigkeiten als für Zugversuche zur Materialcharakterisierung eingestellt werden.
- Gültiges Probenversagen
Proben die innerhalb der Klemmbacken oder am Übergang von Klemmbacke zum ungeklemmten Bereich der Probe brechen sind ungültig und müssen durch neue Probekörper ersetzt werden, um mindestens 5 gültige Versuchsergebnisse zu erzielen.
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Temperaturbereich
Da die mechanischen Eigenschaften faserverstärkter Kunststoffe eine starke Temperaturabhängigkeit aufweisen, werden neben Zugversuchen bei Raumtemperatur auch Versuche bei niedrigen und erhöhten Temperaturen durchgeführt. Hierfür kann die Prüfmaschine mit einer geeigneten Temperierkammer für einen Temperaturbereich von -80°C bis 360°C ausgerüstet werden.
Probekörper und Abmessungen nach ISO 527-4 / ISO 527-5
- l = Gesamtlänge des Probekörpers
- L = Abstand zwischen den Klemmbacken der Probenhalter
- b = Breite des Probekörpers
- h = Dicke des FKV Laminats
- L0 = Empfohlene Messlänge für Extensometer (kontaktierend oder berührungslos): ISO 527-4 Probekörper Typ 4 L0 = 25 mm, für alle anderen oben aufgeführten Probekörper Typen beträgt L0 = 50 mm
| Norm | Probentyp | Schematische Darstellung (vereinfacht, nicht maßstäblich) | Verwendung |
|---|---|---|---|
| ISO 527-4 | Typ 1B Schulterstab |  |
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| Typ 2 rechteckig ohne Aufleimer |  |
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| Typ 3 * rechteckig mit Aufleimer |  |
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| Typ 4 ** konisch ohne Aufleimer |  |
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| ISO 527-5 | Typ A, Typ B *** |  |
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- * Für den Probekörper Typ 3 in ISO 527-4 und die Probekörper vom Typ A und B in ISO 527-5 werden Aufleimer auf beide Seiten der Probe aufgebracht. Ziel dieser mit dem zu prüfenden Laminat in der Regel verklebten Krafteinleitungselementen ist der Abbau von Spannungskonzentrationen in der Einspannung, so dass Klemmbrüche (Bruch an oder in den Klemmbacken der Probehalter) vermieden werden. Hierfür haben sich Aufleimer aus ±45° GFK Laminat bewährt. Es werden stets gerade Aufleimer verwendet, während in ASTM D3039 auch geschäftete Aufleimer zulässig sind. Andere, auch nicht verklebte Krafteinleitungselemente sind zulässig (z.B. Schleifleinen oder Sandpapier) sofern der Nachweis erbracht wird, dass damit die gleichen Festigkeiten erreicht werden und dabei keine größere Streuung der Kennwerte vorliegt.
- ** Für den ab ISO 527-4:2023 neu aufgenommenen Probeköper Typ 4, der für die Zugprüfung ohne Aufleimer an multidirektionalen endlos faserverstärkten Thermoplasten vorgesehen ist, müssen die Ergebnisse nachberechnet werden, wenn der Bruch außerhalb der L0 = 25 mm langen geraden Messlänge in der Probenmitte aufgetreten ist. Die in ISO 527-4 Annex E aufgeführte bruchstellenbezogene Berechnung der Zugfestigkeit für den Probekörper Typ 4 ist in der vorkonfektionierten testXpert Prüfvorschrift für ISO 527-4:2023 bereits enthalten.
- *** Die Probeköper vom Typ A und B in ISO 527-5 haben unterschiedliche Laminatdicken und Probenbreiten. Der für den Zugversuch in 0° Richtung eines UD Laminats vorgesehene Typ A hat eine Breite von 15 mm und eine Laminatdicke von 1 mm. Der für den Zugversuch in 90° Richtung eines UD Laminats vorgesehene Typ B hat hingegen eine Breite von 25 mm und eine Laminatdicke von 2 mm. Damit ist gewährleistet, dass die im 0° Zugversuch gemessenen Kräfte nicht zu hoch und die im 90° Zugversuch gemessenen Kräfte groß genug sind und somit beide Probentypen mit dem gleichen Prüfaufbau geprüft werden können. Diese geometrische Anpassung ist notwendig, da UD Laminate extreme Festigkeitsunterschiede in Faser- und quer zur Faserrichtung aufweisen.
Weiterführende Informationen zur ISO 527-4 & ISO 527-5
- Zur Bestimmung der Zugeigenschaften auf Einzelschicht-Ebene werden stets Mehrschichtverbunde hergestellt bei denen jede Einzelschicht gleich ausgerichtet ist. Hierzu zählen die in ISO 527-5 vorgesehenen 0° oder 90° UD Laminate. Bei entsprechend gleich ausgerichteten Mehrschichtverbunden aus Gewebe Composites in ISO 527-4 spricht man auch von den mechanischen Kennwerten in Kett- und Schuss-Richtung.
- Neben der Durchführung von Zugversuchen zum Zwecke der Materialentwicklung, Materialqualifizierung und Qualitätssicherung werden die auf Einzelschicht-Ebene ermittelten Kennwerte auch bei der Auslegung von Composite Strukturen für analytische Berechnungsmethoden verwendet. Mit Hilfe der klassischen Laminattheorie können z.B. die elastischen Eigenschaften eines multidirektionalen Mehrschichtverbunds aus den Kennwerten der jeweiligen Einzelschichten berechnet werden. Die Festigkeiten auf Einzelschichtebene werden u.a. für die Berechnung von Versagenskriterien wie Max. Stress, Hashin, Puck oder LaRC verwendet.
- Da die mechanischen Eigenschaften eines Mehrschichtverbundes von der Orientierung der jeweiligen Einzelschichten abhängen, liefert jeder Mehrschichtverbund mit unterschiedlich orientierten Einzelschichten andere mechanische Zugeigenschaften. Die mechanischen Materialkennwerte faserverstärkter Kunststoffe entstehen somit erst während der Herstellung des Laminats. Das Herstellungsverfahren selbst hat dabei einen maßgeblichen Einfluss auf die entstehenden Kennwerte. Der Einfluss des Herstellungsverfahrens auf die mechanischen Eigenschaften eines Faser-Kunststoff-Verbund (FKV) Laminats wird daher häufig mit der mechanischen Prüfung abgesichert.
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