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ISO 179-1 & ISO 179-2 Charpy Schlagzähigkeit und Kerbschlagzähigkeit von Kunststoffen

Die Normen ISO 179-1 (Nicht instrumentierte Schlagzähigkeitsprüfung) und ISO 179-2 (Instrumentierte Schlagzähigkeitsprüfung) beschreiben den Schlagversuch nach Charpy zur Ermittlung der Schlag- und Kerbschlagzähigkeit an Kunststoffen. Schlagversuche nach Charpy werden auch in der Norm ASTM D6110 beschrieben. 

Schlagversuche nach dem Charpy-Verfahren dienen zur Charakterisierung eines Kunststoffes bei hohen Dehnraten. Die Beanspruchung erfolgt schlagartig und in einem 3-Punkt-Biegeaufbau. Im klassischen Verfahren wird das Ergebnis als Energieaufnahme des Probekörpers dargestellt. Instrumentierte Messverfahren ermöglichen darüber hinaus die Darstellung von Kraft-Weg Diagrammen, liefern zusätzliche Materialinformationen, sowie die automatische Zuordnung der Bruchart.

Im Rahmen der Norm für Einpunktkennwerte, ISO 10350-1, ist Charpy nach ISO 179-1 die bevorzugte Prüfmethode zur Messung der Schlagzähigkeit. Dabei wird die Prüfung vorzugsweise an ungekerbten Probekörper im schmalseitigen Schlag (1eU) geprüft. Sofern der Probekörper in dieser Konfiguration nicht bricht, wird die Prüfung mit gekerbten Probekörpern durchgeführt. Die Prüfergebnisse sind dabei nicht direkt vergleichbar. Falls auch mit gekerbten Probekörpern kein Probenbruch zu erreichen ist, wird die Schlagzugmethode nach ISO 8256 angewandt.
 

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Ziele der Charpy Schlagversuche

Die Charpy Schlag- und Kerbschlag-Biegeversuche nach ISO 179-1 und ISO 179-2 liefern Kennwerte für die Schlagzähigkeit bei hohen Dehnraten in Form eines flächenbezogenen Energiewertes. Die Prüfungen werden üblicherweise im Normalklima oder bei niedrigen Temperaturen durchgeführt. 

Einsatzbereiche sind:

  • Der Vergleich unterschiedlicher Formmassen
  • Erstellung von Materialkarten, z.B. nach ISO 10350-1
  • Toleranzüberwachung im Rahmen von Wareneingangskontrolle und Qualitätssicherung
  • Prüfung von Fertigteilen anhand von herausgearbeiteten Probekörpern
  • Messung von Alterungseffekten
  • Bruchmechanische Untersuchungen

Die Charpy-Prüfung hat gegenüber Izod einen breiteren Anwendungsbereich und ist besser geeignet für Prüfungen von Werkstoffen, die interlaminare Scherbrüche oder Oberflächeneffekte aufweisen.

Weiterhin bietet die Charpy-Methode Vorteile in der Versuchsführung bei niedrigen Temperaturen. Da die Probenauflager weiter von der Kerbe entfernt sind, wird eine schnelle Wärmeübertragung auf die kritischen Bereiche des Probekörpers vermieden, was die Kühlung in einem externen Kühlgerät und die anschließende Zuführung ins Prüfgerät vereinfacht. 

Anforderungen an die Prüfung

Anforderungen an die Prüfung

Konventionelle Charpy-Prüfung nach ISO 179-1
Instrumentierter Charpy-Versuch nach ISO 179-2

Konventionelle Charpy-Prüfung nach ISO 179-1

Für die konventionellen Schlagversuche nach Charpy kommen Pendelschlagwerke zum Einsatz, die in der ISO 13802 sehr detailliert festgelegt sind. Dadurch wird eine gute Vergleichbarkeit der Prüfungen über verschiedene Prüfmittel, Labore, Bediener und Standorte hinweg ermöglicht.
 
Das Prinzip der Messung basiert auf einem in Arbeitsvermögen und Fallhöhe festgelegten Pendelhammer, der beim Durchschlagen des Probekörpers einen Teil seiner kinetischen Energie abgibt. Dadurch steigt der Pendelhammer nach dem Schlag nicht mehr auf die ursprüngliche Fallhöhe auf. Die gemessene Höhendifferenz zwischen Fallhöhe und Steighöhe wird so zu einem Maß für die aufgenommene Energie. Durch die Festlegung der Fallhöhe wird auch die Auftreffgeschwindigkeit festgelegt, so dass die Prüfungen bei vergleichbaren Dehnraten stattfinden. 

Jeder Pendelhammer darf in einem Bereich von 10 % bis 80 % seines Arbeitsvermögens eingesetzt werden. Sofern mehrere Pendelhammer diese Bedingung für die Prüfung eines Werkstoffs erfüllen, was aus der Überdeckung der Arbeitsbereiche der verschiedenen Pendelhammer in der Regel der Fall ist, wird der Pendelhammer mit dem größten Arbeitsvermögen verwendet. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass der Geschwindigkeitsabfall im Schlagvorgang minimiert ist. 

Die Art der Messung impliziert, dass alle Energieverluste dem Probekörper zuzurechnen sind. Aus diesem Grund ist es wichtig, alle äußeren Fehlerquellen zu minimieren, zu korrigieren, oder komplett auszuschließen. Für die Reibungsverluste, die durch Luftreibung und Reibung an den Lagerstellen des Pendelhammers zwangsläufig entstehen, gibt es enge Festlegungen in der ISO 13802, sowie Kontrollen im Rahmen der regelmäßigen Kalibrierung. Die Korrekturwerte werden vermessen und dem jeweiligen Pendelhammer zugeordnet. Wesentlich für die Qualität der Messung ist eine ausreichende Masse und schwingungsfreie Aufstellung des Pendelschlagwerks auf einem sehr stabilen Labortisch, auf einer gegen eine solide Wand verschraubte Arbeitsplatte, oder auf einem Podest aus Mauerwerk. Innere Schwingungen im Gerät werden konstruktiv minimiert. So verwendet ZwickRoell Pendelhammer mit Doppelstangen aus unidirektionalen Carbonwerkstoffen, die sehr massenarm sind und gleichzeitig eine optimale Steifigkeit der Pendelstangen bieten.
 

Instrumentierter Charpy-Versuch nach ISO 179-2

Durch Aufzeichnung des Kraft-Zeit-Verlaufs kann durch doppelte Integration bei qualitativ hochwertiger Messtechnik ein Kraft-Weg-Diagramm mit hervorragender Genauigkeit erzielt werden. Die so gewonnenen Daten sind in unterschiedlicher Weise nutzbar:

  • Zusätzliche Kennwerte, die ein besseres Verständnis des Materialverhaltens ermöglichen
  • Bruchmechanische Kennwerte
  • Automatische, bedienerunabhängige Bestimmung der Bruchart anhand des Kurvenverlaufs im Kraft-Weg-Diagramm

Die Messwertkurven zeigen immer charakteristische Schwingungen. Dabei handelt es sich um Schwingungen des Probekörpers, deren Frequenz in einem definierten funktionellen Zusammenhang mit der Probengeometrie, den Abmessungen sowie dem Modulwert des Polymers steht.

Ein weiterer großer Vorteil der Instrumentierung ist der große Messbereich. Anders als bei den konventionellen Pendelschlagwerken werden keine Energien, sondern Kräfte gemessen. Da die Messelektronik exakte Messungen schon ab 1/100 der Nennkraft erlaubt, wird das untere Ende der messbaren Schlagenergie in der Regel durch die Versuchsdauer und durch die Eigenfrequenz der Messelemente bestimmt. Aus diesem Grund ist es möglich, den gesamten in der ISO 179-2 beschriebenen Messbereich mit zwei instrumentierten Pendelhammern abzudecken: Ein instrumentiertes 5 J Pendel für Auftreffgeschwindigkeiten von 2,9 m/s und ein 50 J Pendel für die Auftreffgeschwindigkeit 3,5 m/s. In Anlehnung an dieses Verfahren werden auch Prüfungen nach dem Izod-Verfahren und Schlagzugprüfungen instrumentiert.

ISO 179-1 und ISO 179-2: Schlagversuch an Kunststoffen

Ermittlung der Charpy Schlagzähigkeit und Kerbschlagzähigkeit nach ISO 179-1 und ISO 179-2 mit einem HIT Pendelschlagwerk.

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