Was sind Biegeprüfungen?

Mit Biegeprüfungen, auch Beugeversuche oder Traversenprüfverfahren genannt, wird das Verhalten von Materialien gemessen, die mit einer Last geprüft werden. Sie werden gewöhnlich an relativ flexiblen Materialien ausgeführt, wie Polymeren, Holz und Verbundwerkstoffen. Auf der einfachsten Ebene wird eine Biegeprüfung an einer Universal-Prüfmaschine durchgeführt, indem eine Probe auf zwei Stützpunkte gelegt wird. Dann wird sie durch angelegte Kraft über einen oder zwei Druckpunkte gebogen und ihre Eigenschaften werden gemessen.

 

Bei Biege- oder Beugeprüfungen wird die Kraft entweder mit einem Druckpunkt mittig aufgebracht (3-Punkt-Biegeprüfung), oder mit zwei abstandsgleich von der Mitte befindlichen Druckpunkten (4-Punkt-Biegeprüfung) aufgebracht. Bei der 3-Punkt-Biegeprüfung ist der Bereich der gleichförmigen Belastung relativ klein und unter dem Belastungspunkt konzentriert. In einer 4-Punkt-Biegeprüfung erstreckt sich der Bereich der gleichförmigen Belastung zwischen den Belastungspunkten (normalerweise die Hälfte der Fläche außerhalb der Belastungspunkte). Abhängig vom geprüften Material gibt es viele Biegungs-Vorrichtungen, die nützlich sein könnten.

Biegungsprüfungs-Vorrichtungen

Gründe für eine Biegeprüfung

Ingenieure benötigen oft ein Verständnis verschiedener Aspekte von Materialverhalten, können aber nicht alle erforderlichen Informationen durch eine einachsige Zugfestigkeits- oder Druckprüfung erhalten. Eine Probe wird beim Biegen oder Beugen einer komplexen Kombination von Kräften unterzogen, zu denen Zugkraft, Kompression und Scherkraft zählen. Aus diesem Grund wird die Biegeprüfung gewöhnlich zur Untersuchung der Reaktion von Materialien auf realistische Belastungssituationen eingesetzt. Biegeprüfungsdaten können besonders nützlich sein, wenn ein Material als Tragstruktur verwendet werden soll. So muss z. B. ein Kunststoffstuhl Unterstützung in zahlreiche Richtungen geben. Während die Beine beim Gebrauch unter Druck stehen, muss der Sitz Vedrehungskräften von der sitzenden Person widerstehen. Hersteller müssen nicht nur ein Produkt anbieten, das erwartete Lasten halten kann, das Material muss auch in seine ursprüngliche Form zurückkehren, falls es sich bei der Verwendung verformt.

Ausführung einer Prüfung und Berechnung der Ergebnisse

Gewöhnlich werden Biegeprüfungen auf einer Universal-Prüfmaschine mit einer 3-Punkt- oder 4-Punkt-Biegevorrichtung durchgeführt. Variablen wie die Prüfgeschwindigkeit und Probengröße werden von der angewendeten ASMT- oder ISO-Norm vorgegeben. Proben sind normalerweise starr und können aus verschiedenen Materialien wie Kunststoff, Metall, Holz und Keramik bestehen. Am häufigsten werden rechteckige Stäbe und zylindrische Formen als Proben verwendet.

Bei der Biegeprüfung wird Zugspannung auf der konvexen und Druckspannung auf der konkaven Seite der Probe erzeugt. Dadurch wird ein Bereich von Scherspannung entlang der Mittellinie erzeugt. Um sicherzustellen, dass das primäre Versagen der Probe von der Zug- oder der Druckspannung verursacht wird, muss die Scherspannung minimiert werden. Dazu muss das Spanne-Tiefe-Verhältnis, d. h. die Länge der äußeren Spanne geteilt durch die Höhe (Tiefe) der Probe, geregelt werden. Für die meisten Materialien ist S/d = 16 akzeptabel. Manche Materialien erfordern jedoch S/d = 32 bis 64, damit die Scherspannung ausreichend niedrig bleibt.

Maximale Faserspannung und maximale Dehnung werden für Schrittweiten von Last berechnet. Ergebnisse werden auf einem Spannungs-Dehnungs-Diagramm dargestellt. Flexural-Stärke wird als maximale Spannung in der äußersten Faser definiert. Diese wird an der Oberfläche der Probe auf der konvexen oder Spannungs-Seite berechnet. Das Biegemodul wird aus der Steigung der Spannungs-Durchbiegungskurve berechnet. Wenn die Kurve keinen linearen Bereich aufweist, wird eine Sekantenlinie an die Kurve angepasst, um die Steigung zu bestimmen.

Biegeprüfung

Berechnete Werte wie Maximalkraft und maximale Ausdehnung können aufgezeichnet werden, genau wie eine normaler Zugfestigkeitsprüfung oder Druckprüfung, basierend auf Wägezellen- und Ausdehnungs-Messwerten. Spannungs- und Dehnungswerte werden unterschiedlich berechnet, da sie die Unterstützungsspanne und Ladespanne (bei 4-Punkt-Biegeprüfung) der Biegevorrichtung einbeziehen. Die Aufzeichnung dieser Werte ist von ebensolcher Bedeutung wie die ordnungsgemäße Aufzeichnung der Abmessungen der Proben. Wenn diese Werte in Bluehill Universal eingegeben werden, werden Berechnungen wie Biegemodul auf Anfrage automatisch ausgeführt.

Biegeprrüfvorrichtungs-Eingabe in Bluehill Universal

Typische Materialien

Polymere

Polymere werden hauptsächlich mit einer 3-Punkt-Biegeprüfung geprüft. Die Probenverformung wird gewöhnlich über die Traversenposition aufgenommen und die Prüfergebnisse umfassen Biegezugfestigkeit und Biegemodul.

Holz und Verbundwerkstoffe

Holz und Verbundwerkstoffe werden hauptsächlich mit einer 4-Punkt-Biegeprüfung geprüft. Für die 4-Punkt-Biegeprüfung ist ein Deflektometer zum genauen Messen der Probenverformung in der Mitte der Stützspannweite erforderlich. Die Prüfergebnisse umfassen Biegezugfestigkeit und Biegemodul.

Spröde Materialien

Wenn eine 3-Punkt-Biegeprüfung an einem spröden Material wie Keramik oder Beton durchgeführt wird, wird die Biegezugfestigkeit oft Bruchmodul (Modulus of Rupture, MOR) genannt. Diese Prüfung liefert nur Daten für Biegeeigenschaften, nicht für Steifigkeit (Modul). Die 4-Punkt-Biegeprüfung kann auch an spröden Materialien verwendet werden, dann ist jedoch die Ausrichtung der Unterstützung und der Druckpunkte wichtig, und die Testvorrichtung für diese Materialien hat gewöhnlich selbstausrichtende Druckpunkte.

Allgemeine ASTM- und ISO-Normen für die Biegeeigenschaften

  • ASTM D790: Standardprüfverfahren für Biegeeigenschaften von unverstärkten und verstärkten Kunststoffen und elektrisch isolierenden Materialien
  • ISO 178: Kunststoffe, Bestimmung der Biegeeigenschaften
  • ASTM A370: Standardprüfmethoden und -definitionen für die mechanische Prüfung von Stahlprodukten