ASTM D2344: Kurzträgerfestigkeitsprüfung für Polymermatrix-Verbundwerkstoffe
Was ist ASTM D2344?
ASTM D2344 ist das standardisierte Prüfverfahren zur Bestimmung der Kurzträgerfestigkeit von Polymermatrix-Verbundwerkstoffen mit kontinuierlicher oder diskontinuierlicher Faserverstärkung. Es gilt für Verbundwerkstoffe, deren elastische Eigenschaften in Bezug auf die Längsachse der Balkenprobe ausgewogen und symmetrisch sind.
Bei der Prüfung wird eine Kurzträgerprobe in einer 3-Punkt-Biegekonfiguration belastet. Da die Probe im Verhältnis zu ihrer Dicke kurz ist, ist die Belastung darauf ausgelegt, interlaminares Scherversagen statt des typischen Biegebruchs zu fördern. Probenstärken zwischen 2 mm und 6 mm sind zulässig, und das Verhältnis von Auflagerabstand zu Probenstärke muss bei 4,0 gehalten werden, um diesen Scherversagensmodus zuverlässig zu erzeugen.
Warum wird ASTM D2344 verwendet?
Hersteller von Verbundwerkstoffen nutzen ASTM D2344 in erster Linie als Werkzeug für Qualitätskontrolle und Prozessspezifikation. Es ist eine schnelle, kostengünstige Möglichkeit, um:
- Zu verifizieren, dass ein Verbundlaminat korrekt ausgehärtet wurde
- Auf Fertigungsfehler wie Poren oder Delamination zu prüfen
- Die Konsistenz von Lagenaufbauten und anderen Fertigungstechniken zu überwachen
Da die Prüfung schnell durchzuführen ist und relativ einfache Proben erfordert, ist sie weit verbreitet als routinemäßige Screening-Methode – und weniger als Methode zur Erzeugung von auslegungsrelevanten Kennwertdaten.
Wer verwendet ASTM D2344?
Diese Methode wird verwendet von:
- Herstellern von Verbundwerkstoffen, die Wareneingangs- oder In-Prozess-Qualitätsprüfungen durchführen
- Prozessingenieuren, die Aushärtezyklen und die Konsistenz des Lagenaufbaus validieren
- Materialprüflaboren, die Luft- und Raumfahrt-, Automobil-, Marine- und industrielle Verbundwerkstoff-Programme unterstützen
Wichtige Messgrößen und Ergebnisse
ASTM D2344 liefert ein einzelnes berechnetes Ergebnis: die scheinbare interlaminare Scherfestigkeit (ILSS), häufiger als Kurzträgerfestigkeit (SBS) bezeichnet.
Die scheinbare interlaminare Scherfestigkeit wird mit folgender Formel berechnet:
Wobei:
- Fsbs = scheinbare interlaminare Scherfestigkeit (Kurzträgerfestigkeit)
- Pm = maximale während der Prüfung beobachtete Kraft
- b = gemessene Probenbreite
- h = gemessene Probendicke
Zusätzlich zu diesem berechneten Wert verlangt ASTM D2344, dass Anwender den an jeder geprüften Probe beobachteten Versagensmodus identifizieren und berichten. Der Standard gibt Hinweise zu gängigen Versagensarten in Abbildung 7 des Prüfverfahrens, und die korrekte Identifizierung des Versagensmodus ist entscheidend – ein nicht-interlaminarer Scherversagensmodus kann den berechneten Festigkeitswert als echtes Maß der interlaminaren Scherfestigkeit ungültig machen.
ASTM D2344 vs. ISO 14130: Wie unterscheiden sie sich?
Ingenieure und Labore mit internationaler Ausrichtung müssen häufig wissen, wie ASTM D2344 zu ISO 14130, dem vergleichbaren internationalen Standard, steht. Beide Methoden messen die scheinbare interlaminare Scherfestigkeit faserverstärkter Kunststoffverbundwerkstoffe mit einer Kurzträger-3-Punkt-Biegeanordnung – es gibt jedoch wesentliche Unterschiede im Anwendungsbereich und in der Vorrichtungsgeometrie.
| Attribut | ASTM D2344 | ISO 14130 |
|---|---|---|
| Anforderung an die Probensymmetrie | Gilt speziell für ausgewogene, symmetrische Laminate | Schließt nicht-ausgewogene/nicht-symmetrische Proben nicht aus, weist aber auf mögliche Auswirkungen auf die Ergebnisse hin |
| Probengeometrie | Deckt sowohl flache als auch gekrümmte Proben ab | Nur flache, rechteckige Proben |
| Durchmesser des Belastungselements | 6 mm | 10 mm |
| Auflagerdurchmesser | 3 mm | 4 mm |
| Härte von Belastungselement/Auflager | Vorgeschrieben: 60–62 HRC | Nicht spezifiziert |
| Verhältnis Auflagerabstand zu Probendicke | 4:1 | 5:1 |
Welchen Standard sollten Sie verwenden?
- Wählen Sie ASTM D2344, wenn Sie in einer amerikanischen bzw. luft- und raumfahrtgetriebenen Lieferkette arbeiten, gekrümmte Proben (z. B. Abschnitte von Rohren oder zylindrischen Strukturen) zusätzlich zu flachen Proben prüfen müssen oder Rückverfolgbarkeit zu härtespezifizierten Belastungsvorrichtungen benötigen.
- Wählen Sie ISO 14130, wenn Ihr Programm europäischen/internationalen Spezifikationen folgt oder Ihr Kunde bzw. der maßgebliche Standard ISO-Prüfdaten ausdrücklich fordert.
Da die beiden Standards unterschiedliche Vorrichtungsgeometrien und Spannweitenverhältnisse verwenden, sind Ergebnisse aus ASTM D2344 und ISO 14130 nicht direkt austauschbar – ein Vergleich von Kurzträgerfestigkeitswerten über beide Standards hinweg, ohne diese Unterschiede zu berücksichtigen, kann zu irreführenden Schlussfolgerungen führen.
Probenanforderungen
Probenabmessungen
- Minimale Probendicke: 2 mm
- Probenlänge: 6 × Probendicke
- Probenbreite: 2 × Probendicke
Diese sind als empfohlene Abmessungen zu betrachten, andere Abmessungen sind jedoch zulässig, solange diese maßgeblichen Verhältnisse eingehalten werden.
Probenvorbereitung
ASTM D2344 verweist auf ASTM D5687/D5687M als Leitfaden für die Probenvorbereitung und empfiehlt, dessen Vorgehensweisen soweit praktikabel zu befolgen – einschließlich Hinweisen zur Bearbeitung, Kantenbearbeitung und zur Vermeidung von Probenschäden während der Vorbereitung.
Probenmessung
Eine präzise Probenvermessung ist entscheidend für eine gültige Kurzträgerfestigkeitsberechnung:
- Dicke und Breite: Messen Sie mit einem Mikrometer mit Kugelauflage (Nennkugeldurchmesser 4–7 mm) oder mit flachem Amboss. Eine Kugelauflage wird für Proben ohne glatte Oberflächen empfohlen.
- Länge: Messen Sie mit einem Mikrometer oder Messschieber mit flacher Ambossauflage.
Empfohlene Prüfausrüstung für ASTM D2344
Da Spannweitengenauigkeit und Belastungsgeometrie direkt damit zusammenhängen, den richtigen Versagensmodus zu erzeugen, sind Gerätauswahl und Vorrichtungspräzision für zuverlässige, wiederholbare ASTM-D2344-Ergebnisse von großer Bedeutung. Nachfolgend finden Sie eine empfohlene Gerätekonfiguration.
TestsystemPrüfsystem
Eine Universalprüfmaschine der 6800 Serie mit 10 kN Kapazität ist für ASTM-D2344-Prüfungen häufig ausreichend, da bei Kurzträgerprüfungen relativ geringe Kräfte auftreten.
Verbundwerkstofflabore führen jedoch häufig auch Zug- und Druckprüfungen durch, die typischerweise höhere Kraftkapazitäten erfordern – häufig im Bereich von 100 kN oder 300 kN, abhängig von Material und Anwendung. In diesen Fällen kann auch ein Rahmen mit höherer Kapazität für ASTM-D2344-Prüfungen verwendet werden, sodass ein Labor auf einen einzigen Rahmen für mehrere Verbundwerkstoff-Prüfmethoden standardisieren kann.
Wägezelle
Eine Kraftmessdose mit einem Messbereich von 1:1000 ist besonders empfehlenswert, da die Kräfte bei ASTM D2344 im Vergleich zu anderen Verbundwerkstoff-Coupon-Tests wie Zug und Druck relativ niedrig sind. In Kombination mit einem Prüfsystem der 6800 Serie bieten Instron Kraftmessdosen der 2580 Serie eine Genauigkeit von 0,5 % des Messwerts bis hinunter zu 1/1000 der Kraftmessdosenkapazität. Das bedeutet, dass Labore, die für andere Verbundwerkstoffprüfungen Kraftmessdosen mit höherer Kapazität (z. B. 100 oder 300 kN) einsetzen, diese in der Regel auch für ASTM-D2344-Prüfungen verwenden können, ohne eine separate Kraftmessdose mit niedrigerer Kapazität wechseln oder zusätzlich einsetzen zu müssen.
Prüfvorrichtung
Zur Anwendung der im Standard festgelegten Belastungskonfiguration ist eine Biegevorrichtung für Biege- und interlaminare Scherfestigkeit erforderlich (Katalognummer: CP110860). Diese Vorrichtung wird mit einem Amboss-Set kombiniert, das zur jeweils angewendeten Standardversion passt:
- Ein Amboss-Set für den Standard ASTM D2344 (Katalognummer: CP107574) oder
- Ein Amboss-Set für die metrische Version, ASTM D2344M (Katalognummer: CP106695)
Ein Präzisions-Spannweitenset wird dringend empfohlen, um die Auflagerabstände exakt einzustellen, da interlaminares Scherversagen sehr empfindlich auf das korrekte Verhältnis von Spannweite zu Dicke reagiert. Die Instron-Version (Katalognummer: CP108199) umfasst zwei Mikrometer, mit denen Spannweiten mit einer Genauigkeit von 0,01 mm eingestellt werden können.
Unterstützende Hardware
- Instrons Kurzträger-Biegevorrichtung erfordert darunter eine Druckplatte mit mindestens 100 mm Durchmesser. Eine Druckplatte mit 150 mm Durchmesser (Katalognummer: 2501-163) ist eine geeignete Option.
- Der obere Amboss wird über eine Type-Dm-Verbindung angeschlossen, wodurch eine direkte Kopplung an eine Type-Df-Kraftmessdosenverbindung ohne zusätzliche Adapter möglich ist.
- Probenanschläge sind in den Amboss-Sets enthalten und vereinfachen den Aufbau für Labore, die mit der Methode starten.
Tipps für zuverlässige ASTM-D2344-Prüfungen
- Verwenden Sie Probenanschläge an der Biegevorrichtung, um die Probe einfach und konsistent zwischen den Auflagerambossen zu zentrieren. Kleine Positionierfehler können die Spannweitengenauigkeit und den Versagensmodus beeinflussen.
- Für Labore, die eine engere Spannweitenkontrolle benötigen, unterstützt die Vorrichtung CP110860 die direkte Montage der CP108199-Mikrometer an den unteren ILSS-Ambossen, sodass die Spannweite relativ zum oberen Amboss präzise innerhalb einer Toleranz von 0,01 mm eingestellt werden kann.
Hinweis zu diesem Leitfaden
Diese Seite ist als allgemeiner Informationsleitfaden zu ASTM D2344 gedacht und ersetzt nicht das vollständige Prüfverfahren. Probenvorbereitung, Prüfung und Berichterstattung sollten stets der vollständigen, aktuellen Version des Standards folgen. Der offizielle Standard kann direkt bei ASTM bezogen werden: ASTM D2344/D2344M.
Häufig gestellte Fragen (FAQs)
Die Kurzträgerfestigkeit (scheinbare interlaminare Scherfestigkeit) wird berechnet als:
wobei Pm die beobachtete Maximalkraft ist, b die Probenbreite und h die Probendicke.
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Über den Autor
Stephan Botzki
Stephan Botzki ist Senior Applications Engineer bei Instron und arbeitet mit Kunden daran, die optimale Prüfkonstruktion zu identifizieren, um anwendungsspezifische Anforderungen für die mechanische Prüfung von Verbundwerkstoffen zu erfüllen. Er ist spezialisiert auf hochkraftstatische Prüfungen von Verbundwerkstoffen und anderen fortschrittlichen Materialien und ist ein wichtiges Mitglied des ASTM-D30-Komitees für Verbundwerkstoffe. Seine Arbeit verbindet strenge Normen mit realen Anwendungen in der Materialprüfung.
Ressourcen
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