Biegeversuche, manchmal auch Biegeversuche oder Querbalkenversuche genannt, messen das Verhalten von Werkstoffen unter einer einfachen Lasteinleitung. Sie werden normalerweise an relativ flexiblen Materialien wie Polymeren, Holz und Verbundwerkstoffen durchgeführt. Grundsätzlich wird ein Biegeversuch auf einer Universal-Prüfmaschine durchgeführt, indem eine Probe auf zwei Auflageböcke gelegt und durch Krafteinwirkung auf einen oder zwei Belastungsböcke gebogen wird, um ihre Eigenschaften zu messen.

Warum eine Biegeprüfung durchführen?

Ingenieure möchten oft verschiedene Aspekte des Verhaltens eines Materials verstehen, doch ein einfacher uniaxialer Zug- oder Druckversuch liefert möglicherweise nicht alle erforderlichen Informationen. Eine Probe wird beim Biegen einer komplexen Kombination von Kräften unterzogen, zu denen Zugkraft, Kompression und Scherkraft zählen. Aus diesem Grund werden häufig Biegeversuche verwendet, um die Reaktion von Werkstoffen auf realistische Belastungssituationen zu bewerten.

Daten aus Biegeversuchen 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 Verdrehungskräften von der sitzenden Person aushalten. 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.

3-Punkt-Biegeversuch

Bei einem 3-Punkt-Biegeversuch wird eine Probe zwischen zwei unteren Ambossen ausgerichtet, während die Kraft von einem einzigen oberen Amboss ausgeübt wird, der in der Mitte zentriert ist. Der Bereich der gleichmäßigen Belastung ist recht klein und konzentriert sich unter dem zentralen Ladepunkt. Unterschiedliche Normen können verlangen, dass die Ambosse fixiert, gedreht oder geschwenkt werden müssen.

4-Punkt-Biegeversuch

Ein 4-Punkt-Biegeversuch unterscheidet sich vom 3-Punkt-Versuch durch zwei obere Ambosse, die in gleichem Abstand von der Mitte der Probe angeordnet sind. Bei diesem Test liegt der Bereich der gleichmäßigen Belastung zwischen den Ladepunkten der inneren Spannweite (typischerweise die halbe Länge der äußeren Spannweite). Auch hier kann es abhängig von den Anforderungen der Prüfnorm erforderlich sein, die Ambosse zu fixieren, zu drehen oder zu schwenken. Typischerweise werden 4-Punkt-Tests zur Messung des Biegeelastizitätsmoduls bei spröden Materialien verwendet.

Biegeprüfungen werden gewöhnlich auf Universal-Prüfmaschinen durchgeführt. Diese Systeme bestehen aus einem Prüfrahmen, der mit einer Wägezelle, Testsoftware, sowie mit anwendungsspezifischen Spannzeugen und Zubehör, wie z. B. Extensometer, ausgestattet ist. Die Art des zu prüfenden Materials bestimmt die Art des benötigten Zubehörs, und indem einfach die Halterung geändert wird, kann eine einzelne Maschine so angepasst werden, dass sie jedes beliebige Material innerhalb ihres Kraftbereichs prüft.

Einrichtung des Biegetests
Zugspannzeuge Die Lastrahmen für Universal-Prüfmaschinen sind in einer Ein- oder Zweisäulen-Konfiguration und mit einer Kraftkapazität von bis zu 2.000 kN erhältlich.
Software Die Testsoftware ermöglicht es den Benutzern, die Prüfmethoden und die Ausgabe der Ergebnisse zu konfigurieren.
Kraftmessdose Die Kraftmessdose ist ein Messumformer, der die auf das Prüfstück ausgeübte Kraft misst. Instron-Kraftmessdosen sind bis zu 1/1000 Wägezellenkapazität präzise.
Prüfvorrichtung Bei der Biegeprüfung wird mithilfe eines oberen und unteren Ambosses Kraft auf die wichtigsten Punkte der Probe ausgeübt. Die Anzahl der Ambosse richtet sich nach der Art der Prüfung.

 

Prüfgeräte sind in verschiedenen Größen und Kraftkapazitäten von 0,02 N bis 2.000 kN erhältlich. Die meisten Prüfungen mit geringer Kraft werden an einer elektromechanischen ein- oder zweispaltigen Tischmaschine durchgeführt, während Anwendungen mit höherer Kraft Bodenmodelle erfordern. Instrons Serie 6800 Systeme sind in Leistungsbereichen bis zu 300 kN erhältlich und können eine breite Palette von verschiedenen Testtypen durchführen, einschließlich Zug, Druck, Biegen, Schälen, Reißen, Scheren, Reibung, Torsion, Einstich, und vieles mehr. Instrons Industrielle Serien servo-hydraulische Systeme sind für die Prüfung von hochfesten Metallen, Legierungen und fortschrittlichen Verbundwerkstoffen mit noch höherer Kapazität ausgelegt, und die ElectroPuls-Serie ist für die dynamische Ermüdungsprüfung konzipiert.

Universal-Prüfsysteme
bis zu 300 kN

Einzel- und Doppelsäulen-Tisch- und Boden-Prüfsysteme mit einem Kraftkapazitätsbereich von 0,02 N (2 gf) bis 300 kN.

Weitere Informationen

Industrielle Universal-Prüf-
Systeme bis zu 2000 kN

Die Industrielle Serien von Instron umfasst Rahmen mit einem oder zwei Prüffeldern und einer Kraftkapazität von 300 kN bis 2.000 kN.

Weitere Informationen

ElectroPuls vollelektrische Systeme für dynamische Tests und Ermüdungstests

Lineare, elektromotorisch angetriebene dynamische Prüfmaschinen für Ermüdungs- und Bruchmechanikprüfungen mit Kraftkapazitäten bis zu 20 kN.

Weitere Informationen

Biegeprüfungen werden typischerweise nach ISO-, ASTM- oder anderen anerkannten Normen durchgeführt, in denen Variablen wie die erforderliche Prüfgeschwindigkeit und die Probenabmessungen festgelegt sind. Die Proben sind im Allgemeinen 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: die Länge der äußeren Spanne geteilt durch die Höhe (Tiefe) der Probe. Für die meisten Materialien ist S/d =16 akzeptabel. Manche Materialien erfordern jedoch S/d=32 bis 64, damit die Scherspannung ausreichend niedrig bleibt.

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

Berechnete Werte wie Maximalkraft und maximale Ausdehnung können aufgezeichnet werden, genau wie eine normale 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 Flex-Vorrichtung einbeziehen. Die Aufzeichnung dieser Werte ist von ebensolcher Bedeutung wie die ordnungsgemäße Auszeichnung der Abmessungen der Proben. Wenn diese Werte in Bluehill Universal eingegeben werden, werden Berechnungen wie Flexural-Modus automatisch auf Anfrage ausgeführt.

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 (Modus). 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 Ambosse.