Wie Fallgewicht-Schlagprüfungen die Messung der Übergangstemperatur von duktil zu spröde optimieren
Verfasst von: Andrea Incardona, Anwendungsspezialist für Fallturm, Instron
Die Übergangstemperatur von duktil zu spröde ist ein kritischer Parameter für jede Anwendung, in der Kunststoffe unter Schlagbeanspruchung zuverlässig funktionieren müssen – insbesondere in der Automobil- und Luftfahrtindustrie, wo Werkstoffe regelmäßig Minusgraden ausgesetzt sein können und ein Versagen schwerwiegende Sicherheitsfolgen haben kann. Fallgewicht-Schlagprüfmaschinen analysieren diesen Übergang mithilfe von Durchstoß- oder Zugschlagprüfverfahren, und die neueste Technologie bietet deutliche Fortschritte bei Durchsatz, Genauigkeit und Wiederholbarkeit. Dieser Beitrag erklärt, was der Übergang von duktil zu spröde ist, wie er gemessen wird und wie moderne Fallgewicht-Schlagprüfer die zentralen Herausforderungen der Tieftemperaturprüfung adressieren.
Was ist die Übergangstemperatur von duktil zu spröde?
Die Zähigkeit eines Polymers – seine Fähigkeit, Schlagenergie aufzunehmen, bevor es bricht – ist keine feste Eigenschaft. Mit sinkender Temperatur werden die meisten Polymere zunehmend weniger duktil, bis sie einen Punkt erreichen, an dem sie sich spröde verhalten. Dies wird als Übergang von duktil zu spröde bezeichnet. Bei oder unterhalb der Übergangstemperatur verliert ein Werkstoff den Großteil seiner Schlagzähigkeit, und das Risiko eines katastrophalen Versagens steigt deutlich.
Bei Anwendungen wie Karosserieaußenhautteilen, Stoßfängern und Strukturbauteilen im Automobilbereich – oder bei Flugzeugkomponenten, die Temperaturen in großer Höhe ausgesetzt sind – kann dieser Übergang innerhalb des Temperaturbereichs auftreten, dem der Werkstoff im normalen Betrieb begegnet. Daher ist es entscheidend, dass Werkstoffe, die in diesen Anwendungen eingesetzt werden, geprüft und validiert werden, um zu bestätigen, dass sie bei den niedrigsten Temperaturen, die sie voraussichtlich erleben, ausreichend duktil bleiben.
Wie wird die Übergangstemperatur von duktil zu spröde gemessen?
Durchstoßprüfverfahren
Die Durchstoßprüfung ist das am weitesten verbreitete Verfahren zur Messung der Übergangstemperatur von duktil zu spröde in Kunststoffen. Die Normen ISO 6603-2- Puncture Impact Behavior of Plastics und ASTM D3763 - High-Speed Puncture Properties of Plastics definieren das Prüfverfahren, bei dem ein Schlagkörper eine scheiben- oder quadratförmige Probe senkrecht mit einer festgelegten Schlagenergie trifft. Eine Kraftmessdose misst die vom Werkstoff während des Schlagereignisses absorbierte Energie, sodass die Übergangstemperatur aus den resultierenden Daten bestimmt werden kann. Diese Prüfung ist eine Voraussetzung für viele Werkstoffe, die in Automobilanwendungen eingesetzt werden, bei denen eine fortschrittliche Schlagleistung nachgewiesen werden muss.
Zugschlagprüfverfahren
Ein alternativer Ansatz ist die Zugschlagprüfung, bei der die Kraft gemessen wird, die erforderlich ist, um eine Probe unter einer Hochgeschwindigkeits-Zugbelastung von bis zu 20 m/s zu brechen. ISO 8256 gibt Hinweise zur Durchführung dieser Prüfung. Wie beim Durchstoßverfahren müssen die Proben vor der Prüfung auf die gewünschte Prüftemperatur konditioniert werden.
Beide Verfahren erfordern, dass die Proben vor dem Schlagereignis auf eine festgelegte Temperatur gebracht werden – ein Prozess, der als Konditionierung bezeichnet wird. Ohne eine integrierte Konditionierungslösung bringt dieser Schritt erhebliche Herausforderungen mit sich.
Die Herausforderungen der Tieftemperaturprüfung
Traditionell erfordert die Konditionierung von Proben für Tieftemperatur-Schlagprüfungen den Einsatz eines externen Kryostaten. Dieser Ansatz hat mehrere gut bekannte Nachteile:
- Stillstandszeiten – Jeder Prüfzyklus erfordert Zeit, um Proben vom Kryostaten zum Schlagprüfer zu übertragen. Das erhöht die Zeit zwischen den Prüfungen und reduziert den Gesamtdurchsatz in QC-Umgebungen mit hohem Probenaufkommen.
- Genauigkeit – Zwischen dem Moment, in dem eine Probe aus dem Kryostaten entnommen wird, und dem Moment, in dem sie getroffen wird, beginnt ihre Temperatur zu steigen. Selbst eine geringe Temperaturabweichung kann das Ergebnis beeinflussen, insbesondere nahe der Übergangstemperatur, wo sich das Werkstoffverhalten schnell ändert.
- Kosten und Stellfläche – Kryostaten verursachen zusätzliche Investitions- und Wartungskosten, und ihre Stellfläche kann in Laborumgebungen, in denen der Platz ohnehin begrenzt ist, erheblich sein
Einige Labore verwenden alternative Konditionierungsmethoden – etwa indem kalte Luft aus einem Kryostaten durch ein Rohr direkt auf die Probe geleitet wird –, doch diese Ansätze sind energieintensiv und bieten nicht die geschlossene, kontrollierte Umgebung, die für eine konsistente Temperaturhaltung erforderlich ist.
Tieftemperaturprüfung mit integrierten Thermostatkammern
Die neuesten Fallgewicht-Schlagprüfmaschinen adressieren all diese Einschränkungen durch optionale integrierte Thermostatkammern, die die Auflagevorrichtung und die Proben während der Konditionierung umschließen. Da die Proben bereits auf dem Prüfsystem geladen sind, wenn die Abkühlung beginnt, entfällt der Transfer-Schritt vollständig – und damit sowohl die Stillstandszeiten als auch das Risiko von Temperaturabweichungen, die mit externer Konditionierung verbunden sind.
Moderne Fallgewicht-Systeme mit integrierten Kammern können über einen Temperaturbereich von -70°C bis +150°C prüfen und decken damit die überwiegende Mehrheit der für Automobil- und Luftfahrtanwendungen relevanten Umgebungsbedingungen ab. In Kombination mit einem automatischen Probenzuführsystem, das bis zu 30 Proben gleichzeitig laden kann, ermöglichen diese Systeme nahtlose aufeinanderfolgende Prüfungen bei mehreren Temperaturen – mit Temperaturschrittvariationen von nur 2°C zwischen den Prüfungen – ohne die Prüfsequenz zu unterbrechen.
Das Ergebnis ist ein schnellerer Durchsatz, eine bessere Genauigkeit und eine verbesserte Wiederholbarkeit im Vergleich zu jedem Ansatz mit externer Konditionierung. Jede Probe hat im Moment des Aufpralls jedes Mal die richtige Temperatur.
Fallgewicht-Schlagprüfer vs. Pendel: Was ist die richtige Wahl für Ihre Anwendung?
Pendel-Schlagprüfer sind nach wie vor die am weitesten verbreiteten Geräte zur Messung der Übergangstemperatur von duktil zu spröde und eignen sich gut für viele Standardprüfverfahren. Fallgewicht-Schlagprüfer bieten jedoch mehrere Vorteile, die sie zur bevorzugten Wahl für anspruchsvollere oder flexiblere Prüfanforderungen machen:
- Flexibilität der Prüfverfahren – Pendelprüfer sind auf Zugschlagprüfungen beschränkt, während Fallgewicht-Prüfer sowohl Durchstoß- als auch Zugschlagprüfungen unterstützen und damit die Bandbreite an Normen und Werkstoffen erweitern, die auf einer einzigen Plattform bewertet werden können.
- Energie- und Geschwindigkeitsbereich – Pendelprüfer arbeiten mit einer festen Schlagenergie und -geschwindigkeit, die durch den ausgewählten Hammer bestimmt wird. Fallgewicht-Prüfer bieten einen großen und stufenlos einstellbaren Energie- und Geschwindigkeitsbereich und ermöglichen Prüfungen über ein breiteres Spektrum an Werkstofftypen und Leistungsanforderungen hinweg.
- Integrierte Temperaturkonditionierung – Fallgewicht-Schlagprüfer sind mit integrierten Thermostatkammern für kontrollierte Tieftemperaturprüfungen erhältlich. Pendelprüfer bieten diese Möglichkeit nicht und erfordern externe Konditionierungslösungen mit allen oben beschriebenen Einschränkungen.
Für Labore, die eine breite Palette von Werkstoffen bei unterschiedlichen Temperaturen prüfen und einen hohen Durchsatz benötigen, ist ein Fallgewicht-Schlagprüfer mit integrierter Konditionierung die leistungsfähigere und effizientere Lösung.
Werkstoffinnovation bei niedrigen Temperaturen
Über die Qualitätskontrolle hinaus ermöglichen die Fähigkeiten moderner Fallgewicht-Schlagprüfer Forschungs- und Entwicklungsteams, die Grenzen dessen zu verschieben, was mit Polymer- und Verbundwerkstoffen erreichbar ist. Durch Prüfungen über mehrere Temperaturen hinweg mit hoher Genauigkeit und Wiederholbarkeit können F&E-Labore das vollständige Übergangsverhalten von duktil zu spröde neuer Werkstoffformulierungen abbilden – und so Möglichkeiten identifizieren, den Temperaturbereich zu erweitern, in dem ein Werkstoff duktil bleibt, oder neue Werkstoffe mit überlegener Tieftemperaturzähigkeit für die nächste Generation von Automobil- und Luftfahrtkomponenten zu entwickeln.
Fazit
Die Übergangstemperatur von duktil zu spröde ist nicht nur eine Werkstoffeigenschaft – sie ist ein sicherheitskritischer Parameter für jede Anwendung, in der Kunststoffe bei niedrigen Temperaturen unter Schlagbeanspruchung zuverlässig funktionieren müssen. Traditionelle externe Konditionierungsansätze bringen Stillstandszeiten, Genauigkeitsrisiken und operative Komplexität mit sich, die moderne integrierte Thermostatkammern eliminieren. In Kombination mit automatischer Probenzuführung sowie flexibler Energie- und Geschwindigkeitsregelung bieten die neuesten Fallgewicht-Schlagprüfer eine schnellere, genauere und vielseitigere Lösung sowohl für die Qualitätskontrolle als auch für die Werkstoffforschung.
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Andrea Incardona
Andrea Incardona ist Application Engineer und Produktspezialist bei Instron mit Sitz in Italien. Mit einem Hintergrund vom Politecnico di Torino ist Andrea auf Fallturm- und Schlagprüfanwendungen spezialisiert und unterstützt Kunden bei der Auswahl und Optimierung von Prüflösungen für anspruchsvolle Anforderungen in der Werkstoffcharakterisierung.
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