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ASTM D256 Izod Kerbschlagzähigkeit Kunststoff

Die Norm ASTM D256 beschreibt den Schlagbiegeversuch im Izod-Verfahren zur Ermittlung der Kerbschlagzähigkeit von Kunststoffen. Im Rahmen der ASTM werden Kerbschlagzähigkeiten üblicherweise im Izod-Verfahren nach ASTM D256 gemessen. Die schlagartige Biegebeanspruchung erfolgt an einem einseitig eingespannten, gekerbten Probekörper. Das Ergebnis wird als dickenbezogene Energieaufnahme des Probekörpers dargestellt. 

Schlagversuche nach Izod werden auch in den Normen ISO 180 sowie ASTM D4508 beschrieben.

Einsatzbereiche des Prüfverfahrens nach ASTM D256

Der Izod Kerbschlag-Biegeversuch nach ASTM D256 liefert Kennwerte für die Schlagzähigkeit und die Kerbempfindlichkeit bei hohen Dehnraten in Form eines dickenbezogenen Energiewertes. Die Prüfungen werden üblicherweise im Normalklima 23° / 50% relative Feuchte nach ASTM D618 durchgeführt. 

Einsatzbereiche sind:

  • Der Vergleich unterschiedlicher Formmassen
  • Toleranzüberwachung im Rahmen von Wareneingangskontrolle und Qualitätssicherung
  • Prüfung von Fertigteilen anhand von herausgearbeiteten Probekörpern
  • Erstellung von Materialkarten
  • Messung von Alterungseffekten

Izod-Kerbschlagversuche werden auch als instrumentierte Prüfungen, also mit einer schnellen Kraftmessung, angeboten. Hierfür gibt es allerdings noch keine Normung.

ASTM D256 - Eine Norm mit mehreren Prüfverfahren

Der Kerbschlag-Biegeversuch nach ASTM D256 kommt bei allen steifen Kunststoffen zum Einsatz, um das Verhalten gegenüber schlagartigen Beanspruchungen zu charakterisieren. Die schlagartige Biegebeanspruchung erfolgt an einem einseitig eingespannten, gekerbten Probekörper im schmalseitigen Schlag. Das Ergebnis wird als dickenbezogene Energieaufnahme des Probekörpers dargestellt. 

Diese Norm bietet verschiedene Vorgehensweisen, Kerbgrößen und Kerbanordnungen an, um die Kerbempfindlichkeit eines polymeren Werkstoffs zu untersuchen

  • Verfahren A wird für Kunststoffe eingesetzt, bei denen die Izod Kerbschlagzähigkeit größer oder gleich 27 J/m ist. Hierbei wird mit einem Kerbradius von 0,25 mm gearbeitet. Das Ergebnis wird direkt aus der Steighöhe des Pendelhammers nach dem Schlag berechnet. 
  • Verfahren C kommt bei sehr spröden Kunststoffen zum Einsatz, bei denen die Izod-Kerbschlagzähigkeit kleiner 27 J/m ist. Es entspricht Verfahren A, jedoch wird die gemessene Schlagarbeit um den Betrag der rechnerischen Schleuderarbeit des Probekörpers korrigiert. 
  • Verfahren D dient der Charakterisierung der Kerbempfindlichkeit eines polymeren Werkstoffs. Dazu wird die Kerbschlagzähigkeit an Probekörpern mit verschiedenen Kerbradien gemessen und die Kerbempfindlichkeit als linearer Gradient über den Kerbradius berechnet. 
  • Verfahren E dient der Abschätzung der Schlagzähigkeit an ungekerbten Probekörpern. Hierfür wird der gekerbte Probekörper um 180° gedreht eingespannt, so dass sich die Kerbe gegenüber der Schlagrichtung befindet. Das Ergebnis ist nur bedingt mit der Prüfung eines ungekerbten Probekörpers vergleichbar. 

ASTM D256 Probekörper & Abmessungen

Die Probekörper nach ASTM D256 sind in ihren äußeren Abmessungen auf eine Länge von 2.5 in (63.5 mm) und einer Höhe von 0.5 in (12.5 mm) festgelegt. Die Breite von spritzgegossenen Probekörpern darf zwischen 0.118 in (3.0 mm) und in 0.5 in (12,5 mm) liegen, wobei die Verwendung von 1/8 in (3.2 mm) oder ¼ in (6.35 mm) breiten Probekörpern üblich ist. Die exakten Angaben sind in der Materialspezifikation des zu prüfenden Werkstoffs zu finden oder müssen zwischen den beteiligten Parteien abgestimmt werden. Bei Probekörpern, die aus Bauteilen entnommen werden, bestimmt die Wandstärke des Bauteils üblicherweise die Breite. Probekörper, die aus dünneren Wandstärken entnommen wurden, werden im Schlagzugversuch nach ASTM D1822 geprüft. 
 
Da das Verfahren die Messung einer Kerbschlagzähigkeit beschreibt, muss der Probekörper gekerbt werden. Im üblichen Verfahren A wird dabei eine Kerbe mit einem Kerbradius von 0.25 mm und einem Kerbwinkel von 45° durch maschinelle Bearbeitung so in den Probekörper eingebracht, dass eine Resthöhe am Kerbgrund von 0.40 in (10.16 mm) erhalten bleibt. Sofern die Kerbempfindlichkeit nach Verfahren D gemessen werden soll, sind Probekörper mit unterschiedlichen Kerbradien anzufertigen. Neben der Standardkerbe nach Verfahren A werden dazu auch Probekörper mit einem Kerbradius von 0.04 in (1,0 mm) hergestellt. Für die Herstellung der Kerben steht die motorische Kerbfräse ZNO mit einem normgerechten Einzahnfräser zur Verfügung. Für kleinere Probenmengen empfiehlt sich der manuelle Kerbhobel mit automatischer Zustellbewegung. 
 
Für die Prüfung ist es wichtig, dass sich die Kerbe exakt im Bereich des größten Biegemoments befindet. Aus diesem Grund werden die Probekörper entweder mit einem Höhenanschlag positioniert, oder mittels einer im Schlagbock integrierten Kerbausrichteinheit exakt und sicher ausgerichtet. 

Durchführung des Kerbschlagbiegeversuchs nach ASTM D256

Für die Kerbschlagprüfung nach dem Izod-Verfahren nach ASTM D256 werden Pendelschlagwerke mit einem Pendelhammer eingesetzt, der aus einer Pendelstange und einem Schlagkörper besteht und an seinem anderen Ende auf einem reibungsarmen Lager befestigt ist. 

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.

Der Standard-Pendelhammer nach ASTM D256 hat ein Arbeitsvermögen von 2,7 J bei einer festgelegten Fallhöhe von 610 ±2 mm. Weitere Hammergrößen ergeben sich jeweils durch Verdoppelung des Arbeitsvermögens bei gleicher Fallhöhe. Daraus ergibt sich für alle Pendelhammer eine Auftreffgeschwindigkeit von ca. 3,46 m/s.  
Jeder Pendelhammer darf für Messungen von Schlagenergien bis 85% seines Arbeitsvermögens eingesetzt werden.  Sofern mehrere Hammergrößen hierfür infrage kommen, ist der jeweils leichteste Pendelhammer auszuwählen.  

Der Probekörper wird definiert ausgerichtet hochkant stehend so eigespannt, dass die Kerbe sich exakt an der Ecke der Einspannstelle befindet, also im Bereich des größten Biegemoments. Da die Spannkraft das Ergebnis beeinflussen kann, ist eine pneumatische Einspannung, bzw. eine Kontrolle der Spannkraft sinnvoll. 

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, 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 des Geräts und eine 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. Aus diesem Grund verwendet ZwickRoell Pendelhammer mit Doppelstangen aus unidirektionalen Carbonwerkstoffen, die sehr massenarm sind und gleichzeitig eine optimale Steifigkeit der Pendelstangen bieten, die für geringstmögliche Schwingungsverluste sorgen. 

Video: ASTM D256 – Pendelschlagwerke zur Messung der Schlagzähigkeit von Kunststoffen

Mit den Pendelschlagwerken der Baureihen HIT 5.5 P und HIT 25/50 P werden normgerechte Schlag- und Kerbschlagversuche in den Verfahren Izod, Charpy und Schlagzug durchgeführt.

Normen zur Messung der Izod Schlagzähigkeit und Kerbschlagzähigkeit

  • ASTM D4812, ein Izod-Verfahren für die Messung von Schlagzähigkeiten an ungekerbten Probekörpern 
  • ASTM D4508, ein Izod-Verfahren zur Messung an kleinen Probekörpern (Chip-Impact), das ein Pendant zum Dynstat Schlagbiegeversuch nach DIN 53435 ist. 
  • ISO 180 beschreibt den Schlagversuch im Izod-Verfahren zur Ermittlung der Schlag- und Kerbschlagzähigkeit an Kunststoffen. Es liefert Kennwerte für die Schlagzähigkeit bei hohen Dehnraten in Form eines querschnittsbezogenen Energiewertes. 

Unterschied zwischen dem Izod- und dem Charpy-Verfahren

Beide Prüfmethoden charakterisieren die Schlagzähigkeit eines Werkstoffs in sehr ähnlicher Weise, so dass die Ergebnisse weitgehend korrelieren.

  • Das Izod-Prüfverfahren, bei dem der Prüfkörper aufrecht steht, wird üblicherweise in ASTM Normen verwendet.
  • Das Charpy-Verfahren, das mit einem Dreipunkt-Biegeaufbau arbeitet, kommt bevorzugt mit den ISO-Normen zur Anwendung.
  • In beiden Verfahren gibt es die Messung der Kerbschlagzähigkeit. Zu diesem Zweck wird der gekerbte Probekörper so geschlagen, dass sich die Kerbe in der Zugzone der durch den Schlag aufgebrachten Biegung befindet. Bei Izod liegt diese Zugzone auf der Aufschlagseite des Pendelhammers und bei Charpy liegt sie auf der gegenüberliegenden Seite.
  • Die Charpy-Methode bietet Vorteile bei der Prüfung unter niedrigen Temperaturen, da die Auflagestellen des Probekörpers im Pendelschlagwerk relativ weit von der Stelle entfernt liegen, die vom Pendelhammer angeschlagen wird. So wird im relevanten Bereich die Temperatur nicht durch die Auflager entzogen und man kann die Probekörper einfach aus einer temperierten Box zuführen. 

Wie wird die Schlagzähigkeit berechnet?

Im konventionellen Schlagversuch im Charpy- oder Izod-Verfahren wird die Energie, bzw. Schlagarbeit gemessen, die ein Pendelhammer beim Durchschlagen des Probekörpers abgibt. Diese Energie kann sehr einfach aus der Differenz der Auslösehöhe des Pendelhammers zur Steighöhe nach dem Schlag bestimmt werden. In den ISO-Normen wird die Schlagarbeit auf die Querschnittsfläche des Probekörpers bezogen und in [kJ/m²] angegeben, während es in ASTM-Normen üblich ist, diese Energie auf die Dicke des Probekörpers zu beziehen um eine Schlagzähigkeit z.B. in [ft lbf/in] anzugeben. 

Was ist Kerbschlagzähigkeit?

Bei der Prüfung eines ungekerbten Probekörpers wird das Ergebnis Schlagzähigkeit genannt, während bei der Prüfung eines gekerbten Probekörpers eine Kerbschlagzähigkeit ermittelt wird. 

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