ASTM D790 3-Punkt Biegeversuche an Kunststoffen
Der 3-Punkt-Biegeversuch nach ASTM D790 zählt zu den wichtigsten Prüfverfahren zur Bestimmung von Biegemodul, Biegefestigkeit und Biegespannungen an Kunststoffen, Faserverbundwerkstoffen und Isolationswerkstoffen.
In der Praxis entstehen jedoch häufig Messabweichungen. Mit abgestimmter Prüftechnik von ZwickRoell, normkonformen Prüfabläufen und automatisierter Datenerfassung lassen sich diese Einflussgrößen deutlich reduzieren.
Häufige Fehlerquellen Versuchsdurchführung & Prüfmittel FAQ Downloads Beratung anfordern
ASTM D790: Das Wichtigste in Kürze
- ASTM D790 beschreibt den 3-Punkt-Biegeversuch zur Bestimmung der Biegeeigenschaften von unverstärkten und verstärkten Kunststoffen, hochmoduligen Faserverbundwerkstoffen und Isolationswerkstoffen. Typische Prüfergebnisse nach ASTM D790 sind das Biegemodul, Spannungen und Dehnungen am Streckpunkt, die Biegefestigkeit und die Biege-Bruchdehnung. Die Prüfungen werden für halbsteife und steife Kunststoffe verwendet, jedoch nur bis zu einer Biegedehnung von max. 5% durchgeführt.
- Die größten Ursachen für abweichende Prüfergebnisse liegen häufig nicht in der Prüfmaschine selbst, sondern in der Probenvermessung, dem Verhältnis von Auflagerabstand zu Probendicke, der Ausrichtung des Prüfaufbaus und der Wahl der Prüfgeschwindigkeit.
- Bereits ein Messfehler von 0,1 mm bei einer 3,2-mm-Probe kann zu einer Abweichung der berechneten Biegespannung von mehr als 5 % führen.
- Die ASTM D790 erlaubt verschiedene Verfahren zur Durchbiegungsmessung. Deren Genauigkeit hat direkten Einfluss auf die Modulbestimmung.
- Justierbare Biegevorrichtungen, präzise Wegaufnehmer und automatisierte Prüfabläufe helfen, Bedienereinflüsse und Streuungen zu reduzieren.
- Die Prüfsoftware testXpert unterstützt bei der normkonformen Parametrierung, automatischen Geschwindigkeitsberechnung und zentralen Auswertung der Prüfdaten.
ASTM D790 in der Praxis: Häufige Fehlerquellen und Einfluss auf die Prüfergebnisse
Der 3-Punkt-Biegeversuch nach ASTM D790 wirkt einfach durchführbar, doch mehrere Einflussgrößen führen in der Praxis zu erhöhten Streuungen, fehlerhaften Modulwerten oder nicht vergleichbaren Ergebnissen:
- Probenvermessung: Da die Probendicke bei ASTM D790 quadratisch in die Berechnung der Biegespannung eingeht, wirken sich bereits kleine Messabweichungen überproportional auf das Ergebnis aus. Schon ein Messfehler von 0,1 mm bei einer Probendicke von 3,2 mm kann die berechnete Biegespannung um mehr als 5 % verfälschen und damit Biegefestigkeit, Modulwerte beeinflussen.
- Dicken-Auflagerabstand-Verhältnis: Wird das normativ vorgegebene Verhältnis von Auflagerabstand zu Probendicke nicht eingehalten, steigen Schubspannungen, Scherbrüche und verfälschte Modulwerte drohen. Das gilt besonders bei Faserverbundwerkstoffen mit geringer Scherfestigkeit.
- Ausrichtung der Biegevorrichtung: Winkelfehler zwischen den Auflagern oder zwischen Auflagern und Biegestempel führen zu Beginn der Prüfung zu punktuellem statt linienförmigem Kontakt. Dadurch wird der Probekörper zunächst torsional verformt, was als „Kurvenfuß“ im Spannungs-Dehnungs-Diagramm sichtbar wird und insbesondere Sekanten- und Sehnenmodul beeinflussen kann.
- Durchbiegungsmessung: Wird die Nachgiebigkeit des Prüfaufbaus nicht korrigiert, fließen Maschinenverformungen ins Ergebnis ein. Die tatsächliche Materialverformung ist geringer, Biegemodule sind verfälscht und die Vergleichbarkeit verschiedener Prüfsysteme ist nicht gegeben.
- Prüfgeschwindigkeit: Die nach ASTM D790 vorgegebene Dehnrate darf nicht direkt mit der Traversengeschwindigkeit gleichgesetzt werden, sondern muss aus Probendicke, Auflagerabstand und Verfahren A oder B berechnet werden. Fehler bei dieser Umrechnung können Modulwerte, Streckpunkt, Biegespannungen und die Vergleichbarkeit der Ergebnisse verfälschen.
- Grenzen der normativen Berechnungsmodelle: Die Formeln der ASTM D790 gelten nur für kleine Durchbiegungen. Bei größeren Verformungen können geometrische Nichtlinearitäten die Spannungs- und Dehnungsberechnung verfälschen – daher begrenzt die ASTM D790 das Verfahren B auf max. 5 % Biegedehnung.
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Durchführung des 3-Punkt-Biegeversuchs nach ASTM D790 mit ZwickRoell
Kritische Prüfschritte und Prüflösung von ZwickRoell:
ASTM D790 wird überall dort eingesetzt, wo die Biegeeigenschaften von Kunststoffen oder Faserverbundwerkstoffen zuverlässig bewertet und verglichen werden müssen – von der Werkstoffentwicklung über die Qualitätskontrolle in der Serienfertigung bis zur Freigabeprüfung von Spritzgusswerkstoffen oder der Bewertung von Alterungs- und Prozessänderungen. Gerade weil die Ergebnisse in so unterschiedlichen Kontexten verglichen werden, braucht es an den entscheidenden Prüfschritten die passende Ausstattung. So unterstützt ZwickRoell dabei, typische Fehlerquellen von vornherein zu vermeiden:
auswahl des Lastrahmens Probenvermessung Ausrichtung des Prüfaufbaus Messung der Durchbiegung Festlegung Prüfgeschwindigkeit Automatisierungsoptionen Prüfsoftware testXpert
So läuft die Prüfung nach ASTM D790 ab
Beim 3-Punkt-Biegeversuch nach ASTM D790 wird ein quaderförmiger Probekörper auf zwei Auflagern positioniert und mittels eines mittig angebrachten Biegestempels mit einer Prüfmaschine mit festgelegter Prüfgeschwindigkeit belastet. Während der Prüfung wird die vom Biegestempel ausgeübte Kraft und die Durchbiegung des Probekörpers unterhalb des Biegestempels gemessen und kontinuierlich erfasst. Aus den gemessenen Werten sowie den Probenabmessungen und dem Auflagerabstand lassen sich Biegemodul, Biegefestigkeit, Biegespannungen und Biegedehnungen bestimmen.
Je nach Werkstoff erfolgt die Prüfung nach Verfahren A oder B mit unterschiedlichen Dehnraten. Der Versuch endet beim Bruch des Probekörpers oder spätestens bei einer Biegedehnung von 5 %. Für belastbare Ergebnisse müssen Probengeometrie, Auflagerverhältnis, Prüfgeschwindigkeit und Durchbiegungsmessung normkonform aufeinander abgestimmt sein.
Auswahl des Lastrahmens
Zur Durchführung der 3-Punkt-Biegeprüfung nach ASTM D790 können die Universalprüfmaschinen zwickiLine, ProLine und AllroundLine eingesetzt werden. Für reine Biegeversuche an Kunststoffen ist in der Regel bereits eine zwickiLine ausreichend. Bei der Auswahl der Prüfmaschine spielt jedoch nicht allein die maximale Prüfkraft eine Rolle. In der Praxis sollen häufig verschiedene Kunststoffprüfungen, beispielsweise Zug- und Biegeprüfungen, auf einer gemeinsamen Plattform durchgeführt werden. Darüber hinaus beeinflussen der gewünschte Automatisierungsgrad sowie die eingesetzte oder vorhandene Extensometer-Lösung die Systemauswahl. ASTM D790 fordert eine Kraftmessgenauigkeit von ±1 % des Messwerts. Dank der hohen Messgenauigkeit der modularen ZwickRoell Universalprüfmaschinen, die bereits ab 1/1000 des Messbereichs erreicht wird, können beispielsweise eine 10 kN ProLine oder AllroundLine mit einem jeweils passend dimensionierten Kraftaufnehmer für Zug- und Biegeprüfungen eingesetzt werden.
Präzise Erfassung von Probendimensionen
Da die Probendicke einen direkten Einfluss auf die berechneten Kennwerte hat, gehört ihre exakte Messung zu den wichtigsten Schritten der Prüfung. Die direkte Übernahme von Messwerten aus Mikrometern oder Messschiebern in testXpert reduziert Übertragungsfehler und verbessert die Nachvollziehbarkeit der Ergebnisse.
Exakte Ausrichtung des Prüfaufbaus
Die ZwickRoell-Biegevorrichtung verfügt über einstellbare und justierbare Auflager mit durchdachten Abstandslehren und Hilfsmittel zur exakten Zentrierung der Probekörper. Dadurch lassen sich Winkelfehler reduzieren und typische Verfälschungen der Modulbestimmung vermeiden. Besonders bei Modulauswertungen trägt dies zu reproduzierbaren Ergebnissen bei.
Passende Messung der Durchbiegung
Nach ASTM D790 kann die Messung der Durchbiegung in der Mitte zwischen den Auflagern entweder über die Position der Traverse (Typ I), oder direkt messend mit einem separaten Wegaufnehmersystem (Typ II) erfolgen, was die präziseste Form der Messung darstellt und für die Vergleichbarkeit zwischen Laboren unerlässlich ist. Die Traversenwegmessung wird im wesentlichen für einfache Qualitätssicherungsaufgaben angewandt.
- Für die Messung der Durchbiegung über die Traversenposition nach Typ I steht über die Prüfsoftware testXpert eine automatische Korrektur der Eigenverformung des Prüfaufbaus zur Verfügung, bei der die tatsächliche Verformungskurve des Prüfaufbaus bestimmt und in der Prüfsoftware hinterlegt wird.
- Durch die Modularität unserer Prüfsysteme verfügt ZwickRoell über verschiedene Typ II Wegaufnehmer-Optionen, die diese Anforderungen erfüllen und von der Kombinationsmöglichkeit mit anderen Prüfverfahren abhängen: Direkt zwischen den Auflagern am Probekörper angesetzte mechanische Wegaufnehmer für Druck- und Biegeversuche oder Clip-On Extensometer, Fühleraufnehmer makroXtens, multiXtens oder optische videoXtens-Systeme, welche sich auch für Zugversuche einsetzen lassen.
Automatische Berechnung der Prüfgeschwindigkeit
Die Prüfsoftware testXpert berechnet je nach gewähltem Prüfverfahren A oder B und der vorgegebenen Dehnrate die normkonforme Prüfgeschwindigkeit automatisch und führt Schritt für Schritt durch die Prüfung, inklusive konsistenter Parametrierung beim Wechsel zwischen Verfahren A und B.
Automatisierung von ASTM-D790-Prüfungen
Besonders bei hohen Probenzahlen entstehen Streuungen häufig durch manuelle Prozessschritte. Automatisierte Prüfsysteme reduzieren Bedienereinflüsse, standardisieren Prüfabläufe und erhöhen die Reproduzierbarkeit. Gleichzeitig entlasten sie das Laborpersonal von Routinetätigkeiten. So stehen die Mitarbeiter für komplexere Aufgaben wie Interpretation der Daten, Auswertungen, Bewertung neuer Materialien oder Forschungstätigkeiten zur Verfügung.
Für Biegeversuche nach ASTM D790 kann sich eine automatisierte Lösung bereits ab 10 Proben pro Tag als lohnenswert erweisen. Unser Prüfsytem ALEX übernimmt einfache Pick-and-Place-Aufgaben und bietet kosteneffiziente Unterstützung im Prüflabor. Für höhere Prüfaufkommen und erweiterte Anforderungen bieten die Systeme roboTest N, roboTest L und roboTest R von ZwickRoell eine Alternative.
Die Kombination verschiedener Prüfungen – etwa Zugversuche nach ASTM D638 und Biegeversuche nach ASTM D790 – ist durch einfachen Umbau bzw. die Aufnahme mehrerer Prüfmittel in einem System möglich.
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ASTM D790: Effizient und reproduzierbar mit der Prüfsoftware testXpert
Die Prüfsoftware testXpert unterstützt bei der normkonformen Durchführung von ASTM-D790-Prüfungen durch standardisierte Prüfvorlagen und geführte Arbeitsabläufe, reduziert Bedienerfehler und schafft bis zu 30% schnellere Prüfabläufe:
Wichtige Funktionen:
- Normkonforme Prüfabläufe mit klarer Benutzerführung: Die Standard-Prüfvorschrift in testXpert enthält alle relevanten ASTM-D790-Kennwerte und führt Anwender Schritt für Schritt durch die Prüfung. Über die Benutzerverwaltung werden nur die jeweils erforderlichen Prüfschritte angezeigt – für weniger Bedienfehler und standardisierte Abläufe.
- Direkte Übernahme von Probendimensionen aus Messmitteln spart Zeit und reduziert Fehler.
- Zentrale Datenspeicherung und Auswertung: Mit testXpert Analytics lassen sich alle Prüfdaten – auch über die ASTM D790 hinaus - zentral auswerten und Kennwerte aus unterschiedlichen Prüfserien übersichtlich vergleichen.
- ERP- und QS-Anbindung: Standardschnittstellen ermöglichen die schnelle, fehlerfreie Übertragung von Prüfvorgaben und Ergebnissen zwischen testXpert und Ihren Systemen.
- Langfristige Abweichungen erkennt die Trend Analysis mit einer einfachen Langzeitauswertung
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Häufig gestellte Fragen zum 3-Punkt-Biegeversuch nach ASTM D790
Der 3 Punkt-Biegeversuch nach ASTM D790 stellt eine klassische standardisierte Charakterisierungsmethodik für steife und halbsteife Kunststoffe dar. Die dabei ermittelten Biegeeigenschaften sind für Konstrukteure, Ingenieure und Materialhersteller von großer Bedeutung, um sicherzustellen, dass der verwendete Kunststoff den Anforderungen der beabsichtigten Anwendung gerecht wird.
Typische Prüfergebnisse nach ASTM D790 sind:
- Biegemodul: Das Biegemodul ist ein Maß für die Steifigkeit des Materials und gibt an, wie gut es Biegebelastungen widerstehen kann. Die ASTM D790 bietet drei Berechnungsmethoden für das Biegemodul an, die jeweils zu unterschiedlichen Ergebnissen führen:
- Tangentenmodul (Elastizitätsmodul)
Tangente, angelegt im Punkt der maximalen Steigung im Spannungs-Dehnungs Diagramm - Sekantenmodul
Steigung zwischen dem Koordinatenursprung und einem festgelegten Punkt im Spannungs-Dehnungs-Diagramm - Sehnenmodul (Chord modulus)
Steigung zwischen zwei festgelegten Punkten im Spannungs-Dehnungs Diagramm
- Tangentenmodul (Elastizitätsmodul)
- Biegefestigkeit: Die Biegefestigkeit gibt Aufschluss über die maximale Belastung, die das Material in Biegung aufnehmen kann, bevor es bricht.
- Biegespannung bei einer festgelegten Biegedehnung
- Biegespannungen und Biegedehnungen am Streckpunkt und bei Probenbruch
Die Biegevorrichtung von ZwickRoell ermöglicht Prüfungen bis zu Maximalkräften von 20 kN bei einer maximalen Durchbiegung von 36 mm. Mit der Abstandslehre lassen sich Auflagerabstand und Probenanschläge normgerecht sowohl für ISO 178 als auch für ASTM D790 einstellen. Die Auflager sind in Abstand und Winkel justierbar und lassen sich zueinander sowie zum Biegestempel präzise zentrieren und ausrichten. Die Probenanschläge werden ebenfalls mithilfe der Abstandslehre positioniert. Das erleichtert eine exakte und reproduzierbare Probenpositionierung.
Der zentrale Unterschied zwischen Verfahren A und Verfahren B nach ASTM D790 liegt in der Dehnrate bzw. Prüfgeschwindigkeit – und damit darin, wie schnell die Probe gebogen wird.
- Verfahren A arbeitet mit einer niedrigeren Dehnrate und ist das Standardverfahren für die meisten Kunststoffe.
- Verfahren B arbeitet mit einer höheren Dehnrate und wird verwendet, wenn Verfahren A für bestimmte Werkstoffe zu lange dauern würde oder kein sinnvoller Bruch-/Grenzwert innerhalb der vorgesehenen Prüfbedingungen erreicht wird.
Prüfverfahren nach ASTM D790 und deren Einfluss auf die Prüfgeschwindigkeit:
- Für Werkstoffe, die bei kleinen Durchbiegungen brechen wird nach Verfahren A vorzugsweise mit einer Dehnrate von 0,01 min-1 gearbeitet.
- Werkstoffe, die bis zu einer Dehnung von 5% weder brechen noch einen Streckpunkt zeigen, werden nach Verfahren B mit einer zehnfach höheren Dehnrate von 0,1 min-1 geprüft.
Diese Angabe bedeutet für den Bediener, dass die an der Prüfmaschine einzustellende Prüfgeschwindigkeit anhand der Probendicke und dem Auflagerabstand, bzw. dem Verhältnis Auflagerabstand-Probendicke, berechnet werden muss. Diese Funktion kann komfortabel in der Prüfsoftware testXpert hinterlegt und der Berechnungsablauf automatisiert werden.
Für den Standard-Probekörper mit 3,2 x 12,7 x 127 mm und einem Auflagerverhältnis von 16 beträgt die Prüfgeschwindigkeit nach ASTM D790:
- Nach Verfahren A: 1,4 mm/min
- Nach Verfahren B: 13,7 mm/min
Die Ergebnisse von Biegeprüfungen nach ISO 178 und ASTM D790 an Kunststoffen sind üblicherweise in der Größenordnung ähnlich, aber nicht direkt vergleichbar. Gründe sind unterschiedliche Dehnraten im Biegeversuch, verschiedene Berechnungsmethoden für den Modulwert und Unterschiede, die sich aus der Herstellung der Probekörper ergeben können.
- Das Biegemodul beschreibt die Steifigkeit eines Werkstoffs gegenüber Biegebelastungen.
- Die Biegefestigkeit kennzeichnet die maximale Belastung, die ein Material bei Biegung aufnehmen kann, bevor es versagt.
Die Biegespannung wird nach ASTM D790 und in ISO 178 als Randfaserspannung des Probekörpers in der Mitte zwischen den Auflagern berechnet. Die in der Norm angegebene Berechnungsformel basiert auf einem idealen Lastfall. Winkelfehler oder Reibungskräfte an den Auflagern, die sich aus der zunehmenden Durchbiegung des Probekörpers während eines Biegeversuchs ergeben, werden nicht berücksichtigt. Die Berechnung ist nur für geringe Biegewinkel hinreichend genau.
Für die Prüfung von Kunststoffen nach ASTM D790 werden die Probekörper im Spritzgießverfahren hergestellt, bzw. aus Tafeln, Platten oder Formteilen durch mechanische Bearbeitung entnommen.
- Für Kunststoff-Formmassen werden nach ASTM D790 üblicherweise Probekörper mit einem Querschnitt von 3,2 mm x 12,7 mm und einer Länge von 127 mm verwendet. Das festgelegte Dicken-Auflagerabstand Verhältnis von 16 führt zu einem Auflagerabstand von 51 mm. Daneben definiert die Norm eine Reihe weiterer Anforderungen für Probekörper mit einer Dicke größer 3,2 mm und kleiner 1,6 mm.
- Für die Prüfung von laminierten härtbaren Kunststoffen, sowie von Plattenware für elektrische Isolation müssen die Probekörper möglicherweise auf eine Dicke von 25,4 mm oder von 12,7 mm bearbeitet werden. Sofern die Scherfestigkeit sehr gering gegenüber der Zugfestigkeit ist, muss das Dicken-Auflagerabstand Verhältnis auf 32 oder sogar auf 40 erhöht werden um Scherbrüche zu vermeiden.
- Die Prüfung von hochfesten Faserverbundwerkstoffen, werden entsprechend dem Verhältnis Zugfestigkeit-Scherfestigkeit mit einem Dicken-Auflagerabstand Verhältnis von 16, 32 oder 40 durchgeführt. Bei stark anisotropen Werkstoffen kann sogar ein Verhältnis von 60 für eine korrekte Modulbestimmung erforderlich sein.
Die Messung der Probendimensionen erfordert beim Biegeversuch ganz besondere Sorgfalt. Da die Probendicke quadratisch in die Berechnung der Biegespannung eingeht, folgt auch der Messfehler einer quadratischen Funktion. Ein Messfehler von nur 0,1 mm bei der Probenhöhe von nominell 3,2 mm erzeugt bereits einen Fehler bei der Biegespannung von mehr als 5 %. Aus diesem Grund wird die Dicke der Probekörper mit einer Mikrometerschraube gemessen, die die Anforderungen nach ASTM D5947 erfüllt.
Winkelfehler zwischen den Auflagern, oder zwischen Auflagern und Biegestempel führen zu einem punktuellen Kontakt zwischen Probekörper und Prüfwerkzeug zu Beginn der Prüfung. Mit zunehmender Belastung wird der Probekörper in Torsion verformt und eine linienförmige Auflage erreichen. Diese Anfangsverformungen werden im Spannungs-Dehnungs-Diagramm als sogenannter Kurvenfuß sichtbar, das heißt, als zunehmende Steigung im Anfangsbereich. Die Werte von Sekantenmodul und Sehnenmodul können dadurch erheblich beeinflusst werden, während der Tangenmodul nach ASTM D790 unempfindlicher gegen diesen Effekt ist.
An den Auflagerstellen und im Bereich des oder der Biegestempel findet eine Eindrückung statt, die von der Härte des Werkstoffs, der Größe der wirkenden Kraft und dem Radius der Biegefinne des Auflagers abhängt. Sofern die Durchbiegung anhand der Bewegung des Biegestempels gegenüber den Auflagern gemessen wird, vergrößert diese Eindrückung scheinbar die gemessene Durchbiegung und kann in der Regel nicht durch eine Steifigkeitskorrektur kompensiert werden. Durch Verwendung eines mittig angesetzten Wegaufnehmers wird die Eindrückung des Biegestempels kompensiert.
Downloads zur ASTM D790
- Produktinformation: 3-Punkt-Biegevorrichtungen PDF 246 KB
- Branchenbroschüre: Kunststoff & Gummi PDF 9 MB
- Produktinformation: zwickiLine bis Fmax 5 kN PDF 820 KB
- Produktinformation: ProLine, Fmax 5-100 kN PDF 1 MB
- Produktinformation: AllroundLine, Fmax 5-100 kN PDF 1 MB
- Produktinformation: videoXtens 2-150 HP PDF 1 MB
- Produktinformation: multiXtens II HP Extensometer PDF 1 MB
- Produktinformation makroXtens Extensometer PDF 637 KB
- Produktinformation: Wegaufnehmer für Druck- und Biegeprüfung PDF 1 MB
- Produktinformation: Clip-on Extensometer PDF 525 KB
