ASTM D790 3-Punkt Biegeversuch Kunststoff
Die Norm ASTM D790 beschreibt ein Prüfverfahren zur Ermittlung der Biegeeigenschaften von unverstärkten und verstärkten Kunststoffen, hochmoduligen Faserverbundwerkstoffen und Isolationswerkstoffen. Typische Prüfergebnisse nach ASTM D790 sind das Biegemodul, Spannungen und Dehnungen am Streckpunkt, die Biegefestigkeit und die Biege-Bruchdehnung. Die Prüfungen werden für halbsteife und steife Kunststoffe verwendet, jedoch nur bis zu einer Biegedehnung von max. 5% durchgeführt.
Weitere Normen für die Biegeprüfung an Kunststoffen und Faserverbundwerkstoffen:
- Die ASTM D6272 - Standard Test Method for Flexural Properties of Unreinforced and Reinforced Plastics and Electrical Insulating Materials by Four-Point Bending beschreibt ein Vierpunkt-Verfahren, bei dem die maximale Biegespannung zwischen den Biegefinnen in einer schubspannungsfreien Zone auftritt.
- In der ISO 178 - Kunststoffe - Bestimmung der Biegeeigenschaften wird ebenfalls der Dreipunkt Biegeversuch beschrieben, jedoch mit anderem technischen Inhalt
- In der ISO 14125 - Faserverstärkte Kunststoffe - Bestimmung der Biegeeigenschaften sind Dreipunkt und Vierpunkt Prüfverfahren für Faserverbundwerkstoffe festgelegt.
Ziel & Kennwerte Versuchsdurchführung Probenformen & Abmessungen Kraftmessung & Durchbiegung Prüfgeschwindigkeiten Prüfsoftware Automatisierung FAQ Downloads Beratung anfordern
ASTM D790: Ziel und Kennwerte
Der 3 Punkt-Biegeversuch nach ASTM D790 stellt eine klassische standardisierte Charakterisierungsmethodik für steife und halbsteife Kunststoffe dar. Die dabei ermittelten Biegeeigenschaften sind für Konstrukteure, Ingenieure und Materialhersteller von großer Bedeutung, um sicherzustellen, dass der verwendete Kunststoff den Anforderungen der beabsichtigten Anwendung gerecht wird.
Typische Prüfergebnisse nach ASTM D790 sind:
- Biegemodul: Das Biegemodul ist ein Maß für die Steifigkeit des Materials und gibt an, wie gut es Biegebelastungen widerstehen kann. Die ASTM D790 bietet drei Berechnungsmethoden für das Biegemodul an, die jeweils zu unterschiedlichen Ergebnissen führen:
- Tangentenmodul (Elastizitätsmodul)
Tangente, angelegt im Punkt der maximalen Steigung im Spannungs-Dehnungs Diagramm - Sekantenmodul
Steigung zwischen dem Koordinatenursprung und einem festgelegten Punkt im Spannungs-Dehnungs-Diagramm - Sehnenmodul (Chord modulus)
Steigung zwischen zwei festgelegten Punkten im Spannungs-Dehnungs Diagramm
- Tangentenmodul (Elastizitätsmodul)
- Biegefestigkeit: Die Biegefestigkeit gibt Aufschluss über die maximale Belastung, die das Material in Biegung aufnehmen kann, bevor es bricht.
- Biegespannung bei einer festgelegten Biegedehnung
- Biegespannungen und Biegedehnungen am Streckpunkt und bei Probenbruch
ASTM D790 Versuchsdurchführung
- Im Dreipunkt-Biegeversuch nach ASTM D790 wird ein quaderförmiger Probekörper auf zwei Auflagern platziert und durch einen mittig angeordneten Biegestempel mit einer Prüfmaschine kontinuierlich, mit festgelegter Prüfgeschwindigkeit, bis zum Bruch, maximal aber bis zu einer Biegedehnung von 5% verformt.
- Während des Verformungsvorgangs wird die vom Biegestempel ausgeübte Kraft und die Durchbiegung des Probekörpers unterhalb des Biegestempels gemessen.
- Das so erhaltende Kraft-Durchbiegung-Diagramm kann mit den Probenabmessungen und dem Abstand der Auflager in ein Spannungs-Dehnungs-Diagramm umgerechnet werden. Dabei ist zu beachten, dass die von der Norm angebotenen Berechnungsformeln nur im Bereich kleiner Durchbiegungen gültig sind. Dies ist der wesentliche Grund, warum der Biegeversuch nach ASTM D790 im Ablauf B auf eine maximale Biegedehnung von 5% begrenzt wird.
ASTM D790 Probengrößen
Für die Prüfung von Kunststoffen nach ASTM D790 werden die Probekörper im Spritzgießverfahren hergestellt, bzw. aus Tafeln, Platten oder Formteilen durch mechanische Bearbeitung entnommen.
- Für Kunststoff-Formmassen werden nach ASTM D790 üblicherweise Probekörper mit einem Querschnitt von 3,2 mm x 12,7 mm und einer Länge von 127 mm verwendet. Das festgelegte Dicken-Auflagerabstand Verhältnis von 16 führt zu einem Auflagerabstand von 51 mm. Daneben definiert die Norm eine Reihe weiterer Anforderungen für Probekörper mit einer Dicke größer 3,2 mm und kleiner 1,6 mm.
- Für die Prüfung von laminierten härtbaren Kunststoffen, sowie von Plattenware für elektrische Isolation müssen die Probekörper möglicherweise auf eine Dicke von 25,4 mm oder von 12,7 mm bearbeitet werden. Sofern die Scherfestigkeit sehr gering gegenüber der Zugfestigkeit ist, muss das Dicken-Auflagerabstand Verhältnis auf 32 oder sogar auf 40 erhöht werden um Scherbrüche zu vermeiden.
- Die Prüfung von hochfesten Faserverbundwerkstoffen, werden entsprechend dem Verhältnis Zugfestigkeit-Scherfestigkeit mit einem Dicken-Auflagerabstand Verhältnis von 16, 32 oder 40 durchgeführt. Bei stark anisotropen Werkstoffen kann sogar ein Verhältnis von 60 für eine korrekte Modulbestimmung erforderlich sein.
Die Messung der Probendimensionen erfordert beim Biegeversuch ganz besondere Sorgfalt. Da die Probendicke quadratisch in die Berechnung der Biegespannung eingeht, folgt auch der Messfehler einer quadratischen Funktion. Ein Messfehler von nur 0,1 mm bei der Probenhöhe von nominell 3,2 mm erzeugt bereits einen Fehler bei der Biegespannung von mehr als 5 %. Aus diesem Grund wird die Dicke der Probekörper mit einer Mikrometerschraube gemessen, die die Anforderungen nach ASTM D5947 erfüllt.
ASTM D790: Messung von Kraft und Durchbiegung
Die Kraftmessung nach ASTM D790 muss im relevanten Bereich mit einer Genauigkeit von ±1% des Anzeigewertes erfolgen. Die dazu erforderliche Kalibrierung der Kraftmesseinrichtung erfolgt nach ASTM E4.
Nach ASTM D790 kann die Messung der Durchbiegung in der Mitte zwischen den Auflagern entweder über die Position der Traverse (Typ I), oder direkt messend mit einem separaten Wegaufnehmersystem (Typ II) erfolgen:
- Für die Messung der Traversenposition ist eine Genauigkeit entsprechend der Klasse B nach ASTM E2309 einzuhalten. Im Fall der direkten Durchbiegungsmessung wird die Überprüfung nach ASTM E83 durchgeführt, wobei für die Modulbestimmung die Klasse B-2 und für die Bestimmung der weiteren Dehnungen eine Klasse C einzuhalten ist.
- Für die Messung der Durchbiegung über die Traversenposition nach Typ I steht über die Prüfsoftware testXpert eine automatische Korrektur der Eigenverformung des Prüfmittels zur Verfügung, bei der die tatsächliche Verformungskurve des Prüfaufbaus bestimmt und in der Prüfsoftware hinterlegt wird.
ZwickRoell bietet verschiedene Wegaufnehmersysteme des Typs II, die diese Anforderungen erfüllen, sich aber insbesondere in der Kombinationsmöglichkeit mit anderen Prüfverfahren unterscheiden:
- Mechanische Aufnehmer für Druck- und Biegeversuche, ausgeführt mit einem Fühlerarm, der direkt unter dem Probekörper angesetzt wird
- Messfühler für den Einsatz mit den mechanischen Extensometern makroXtens und multiXtens.
- Messeinrichtungen mit Markierungen für die Verwendung von optischen videoXtens Extensometern
Wegaufnehmer zur Messung der Durchbiegung nach ASTM D790
ASTM D790 Prüfgeschwindigkeiten
Prüfverfahren nach ASTM D790 und deren Einfluss auf die Prüfgeschwindigkeit:
- Für Werkstoffe, die bei kleinen Durchbiegungen brechen wird nach Verfahren A vorzugsweise mit einer Dehnrate von 0,01 min-1 gearbeitet.
- Werkstoffe, die bis zu einer Dehnung von 5% weder brechen noch einen Streckpunkt zeigen, werden nach Verfahren B mit einer zehnfach höheren Dehnrate von 0,1 min-1 geprüft.
Diese Angabe bedeutet für den Bediener, dass die an der Prüfmaschine einzustellende Prüfgeschwindigkeit anhand der Probendicke und dem Auflagerabstand, bzw. dem Verhältnis Auflagerabstand-Probendicke, berechnet werden muss. Diese Funktion kann komfortabel in der Prüfsoftware testXpert hinterlegt und der Berechnungsablauf automatisiert werden.
Für den Standard-Probekörper mit 3,2 x 12,7 x 127 mm und einem Auflagerverhältnis von 16 beträgt die Prüfgeschwindigkeit nach ASTM D790:
- Nach Verfahren A: 1,4 mm/min
- Nach Verfahren B: 13,7 mm/min
3 Punkt Biegevorrichtung für ASTM D790
Ein wesentliches Merkmal professionell ausgeführter Biegeeinrichtungen ist neben der Maßhaltigkeit deren exakte Ausrichtbarkeit. Die Auflager müssen zueinander, wie auch gegenüber dem Biegestempel sehr genau ausgerichtet werden. Winkelfehler lassen im Spannungs-Dehnungsdiagramm einen sogenannten „Kurvenfuß“ entstehen, der möglicherweise die Modulbestimmung erheblich verfälscht. Einstellbare Auflager und durchdachte Lehren erleichtern diese Aufgabe erheblich. Probenanschläge an den Auflagern erleichtern die exakte Positionierung der Probekörper.
Vorteile und Merkmale der ZwickRoell 3-Punkt Biegevorrichtung
- Mit der Biegevorrichtung von ZwickRoell können Prüfungen bis zu Maximalkräften von 20kN durchgeführt werden. Die maximale Durchbiegung beträgt dabei 36 mm.
- Mit der Abstandslehre zur Einstellung des Auflagerabstandes und der Probenanschläge kann die Biegevorrichtung für Prüfungen nach ISO 178 und auch ASTM D790 normgerecht eingestellt werden.
- Die Auflager sind in Abstand und Winkel justierbar. So können sie können im Abstand zueinander und zum Biegestempel zentriert, sowie in Auflageachse sehr genau ausgerichtet werden.
- Die Probenanschläge der Biegevorrichtung werden mit Hilfe der Abstandslehre eingestellt und positioniert.
Prüfmaschinen für den ASTM D790 Dreipunkt-Biegeversuch
Zur Durchführung des 3-Punkt Biegeversuchs nach ASTM D790 können unsere Universalprüfmaschinen zwickiLine, ProLine und AllroundLine eingesetzt werden.
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ZwickRoell Prüfmittel für sichere Prüfergebnisse nach ASTM D790
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Durch die Prüfsoftware testXpert sind Bediener schnell eingelernt und prüfen sofort los. Sie sehen nur die relevanten Aufgaben und werden Schritt für Schritt durch die Prüfung nach ASTM D790 geleitet.
- Alle Kennwerte und Einstellungen der ASTM D790 sind in der Standard-Prüfvorschrift garantiert normkonform enthalten. Schritt für Schritt leitet die Prüfsoftware durch die Prüfung.
- Die Anwender sehen nur die Schritte, die sie durchführen müssen. Diese sind in der Benutzerverwaltung festgelegt.
- Probendimensionen nach ASTM D790 werden durch die Anbindung von Bügelmessschraube und digitalem Messschieber direkt an die Prüfsoftware weitergeleitet, zeitsparend und fehlerfrei.
- testXpert schafft maximale Prüfeffizienz. Sie prüfen bis zu 30% schneller.
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- Durch standardisierte Schnittstellen werden schnell und fehlerfrei Prüfvorgaben aus Ihrem ERP- oder QS-System eingelesen und nach der Prüfung die Ergebnisse wieder zurückgespielt. Das spart Zeit bei der Übertragung und verhindert Fehler.
- Eine Auswertung aller Kennwerte aus verschiedenen Prüfserien ist durch den zentralen Zugriff auf alle Prüfdaten mit testXpert Analytics möglich. Auch über die ASTM D790 hinaus: Zugmodul, Biegemodul, Zugfestigkeit, Kerbschlagzähigkeit, Fließraten und andere Kennwerte lassen sich übersichtlich vergleichen und auswerten.
- Langfristige Abweichungen erkennt die Trend Analysis mit einer einfachen Langzeitauswertung.
Automatisierter 3-Punkt Biegeversuch nach ASTM D790
Besonders bei einem großen Probenaufkommen wird das Personal stark gebunden. Ein Prüfsystem für die automatisierte Prüfung von Kunststoffen entlastet qualifiziertes Laborpersonal von Routinetätigkeiten und sorgt zusätzlich für sehr reproduzierbare Prüfergebnisse. Daraus resultierend stehen die Mitarbeiter für komplexere Aufgaben wie Interpretation der gewonnenen Daten, Auswertungen, Bewertung neuer Materialien oder Forschungstätigkeiten zur Verfügung.
Für die automatisierte Durchführung von 3-Punkt Biegeversuchen nach ASTM D790 stehen die Prüfsysteme roboTest N, roboTest L und roboTest R zur Verfügung. Die Kombination verschiedener Prüfungen, z.B. Zugversuche nach ASTM D638 und Biegeversuche nach ASTM D790, ist durch einfachen Umbau, bzw. durch die Aufnahme mehrerer Prüfmittel im einem System möglich.
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Häufig gestellte Fragen zur ASTM D790
Beide Normen stellen ein Verfahren zur Bestimmung von Biegeeigenschaften an Kunststoffen zur Verfügung, unterscheiden sich aber im Anwendungsbereich, in der Probekörpergeometrie und in der Versuchsdurchführung. Aus diesem Grund sind die Prüfergebnisse nicht sicher vergleichbar. Bei der Prüfung von Kunststoffen sind Unterschiede aufgrund der Abmessungen der Probekörper zu erwarten, die die Morphologie des Werkstoffs beeinflussen. Weitere Einflussgrößen ergeben sich aus den unterschiedlichen Prüfgeschwindigkeiten, sowie aus Unterschieden bei der Bestimmung der Modulwerte.
Die Norm ASTM D790 beschreibt ein Prüfverfahren zur Ermittlung der Biegeeigenschaften von unverstärkten und verstärkten Kunststoffen, hochmoduligen Faserverbundwerkstoffen und Isolationswerkstoffen. Typische Prüfergebnisse sind das Biegemodul, Spannungen und Dehnungen am Streckpunkt, die Biegefestigkeit und die Biege-Bruchdehnung. Die Prüfungen werden für halbsteife und steife Kunststoffe verwendet, jedoch nur bis zu einer Biegedehnung von max. 5% durchgeführt.
Die Ergebnisse von Biegeprüfungen nach ISO 178 und ASTM D790 an Kunststoffen sind üblicherweise in der Größenordnung ähnlich, aber nicht direkt vergleichbar. Gründe sind unterschiedliche Dehnraten im Biegeversuch, verschiedene Berechnungsmethoden für den Modulwert und Unterschiede, die sich aus der Herstellung der Probekörper ergeben können.
ISO Normen entstehen auf der Basis eines breiten länderübergreifenden Konsenses, der durch international besetzte Normungsgremien hergestellt wird. Diese Gremien bestehen aus abgeordneten Experten der nationalen Normungsgremien der teilnehmenden Länder. ASTM Standards werden auf nationaler Ebene in den USA entwickelt, wobei ASTM international die Mitarbeit von Experten von außerhalb der Vereinigten Staaten ermöglicht.
Das Biegemodul ist ein Maß für die Steifigkeit des Materials und gibt an, wie gut es Biegebelastungen widerstehen kann. Die Biegefestigkeit gibt Aufschluss über die maximale Belastung, die das Material in Biegung aufnehmen kann, bevor es bricht.
Die Biegespannung wird nach ASTM D790 und in ISO 178 als Randfaserspannung des Probekörpers in der Mitte zwischen den Auflagern berechnet. Die in der Norm angegebene Berechnungsformel basiert auf einem idealen Lastfall. Winkelfehler oder Reibungskräfte an den Auflagern, die sich aus der zunehmenden Durchbiegung des Probekörpers während eines Biegeversuchs ergeben, werden nicht berücksichtigt. Die Berechnung ist nur für geringe Biegewinkel hinreichend genau.
Winkelfehler zwischen den Auflagern, oder zwischen Auflagern und Biegestempel führen zu einem punktuellen Kontakt zwischen Probekörper und Prüfwerkzeug zu Beginn der Prüfung. Mit zunehmender Belastung wird der Probekörper in Torsion verformt und eine linienförmige Auflage erreichen. Diese Anfangsverformungen werden im Spannungs-Dehnungs-Diagramm als sogenannter Kurvenfuß sichtbar, das heißt, als zunehmende Steigung im Anfangsbereich. Die Werte von Sekantenmodul und Sehnenmodul können dadurch erheblich beeinflusst werden, während der Tangenmodul nach ASTM D790 unempfindlicher gegen diesen Effekt ist.
