Zugversuch an Kunststoffen 

ISO 527-1, ISO 527-2, ASTM D 638

Zugversuch_Kunststoff_Iso527_Einleitung

Ziel des Zugversuchs ISO 527

Im Zugversuch werden wesentliche mechanische Eigenschaften einer Formmasse ermittelt. Diese Kennwerte werden in der Regel für Vergleichszwecke eingesetzt.

Die charakteristischen Kennwerte sind:

  • Zugspannung: Kraft bezogen auf den Anfangsquerschnitt des Probekörpers
  • Dehnung: Änderung der Messlänge bezogen auf die Anfangsmesslänge
  • Zugmodul: Steigung der Kurve im Spannungs-Dehnungsdiagramm
  • Streckpunkt: Spannung und Dehnung am Kurvenpunkt an dem die Steigung Null ist
  • Bruchpunkt: Spannung und Dehnung im Moment des Probenbruchs
  • Poissonsche Zahl: negatives Verhältnis von Querdehnung zur Längsdehnung

Sowohl die ISO 527-1/-2 als auch die ASTM D 638 legen Prüfmethoden für den Zugversuch fest. Beide Normen sind technisch äquivalent, liefern aber nicht völlig vergleichbare Ergebnisse, da die Probenformen, die Prüfgeschwindigkeiten und die Art der Ergebnisbestimmung sich in einigen Punkten unterscheiden.

Im standardisierten Zugversuch werden Prüfergebnisse in Bezug auf eine definierte Abzuggeschwindigkeit am Probekörper dargestellt. Im praktischen Einsatz eines Bauteils oder einer Struktur können die auftretenden Beanspruchungen jedoch in einem sehr breiten Bereich der Verformungsgeschwindigkeit liegen. Aufgrund der viskoelastischen Eigenschaft der Polymere ergeben sich unter veränderten Dehngeschwindigkeiten normalerweise andere mechanische Eigenschaften als an einem standardisierten Probekörper gemessen wurden. Aus diesem Grund eignen sich die im Zugversuch ermittelten Kennwerte nur begrenzt zur Bauteilauslegung, stellen aber eine sehr zuverlässige Basis für einen Werkstoffvergleich dar.

Alterungsprüfungen: Der Zugversuch liefert eine gute Basis, um die Veränderung der mechanischen Kennwerte eines Polymers nach Alterung, Wärme- oder Medienlagerung oder nach Bewitterung darzustellen. Hierzu werden die Kennwerte des Zugversuchs im spritzfrischen Zustand, wie auch nach definierten Alterungs- oder Bewitterungszeiten ermittelt.

Anforderungen an Umgebung und Prüfmittel beim Zugversuch ISO 527

Definition der zu verwendenden Probekörper in Form und Abmessung nach ISO

Probenform_Formmassenprfung_1A_1B

Probenformen für die Formmassenprüfung

Eine hohe Vergleichspräzision ist die herausragende Zielsetzung bei der Prüfung von Formmassen. Dies erfordert eine Begrenzung der Probekörperarten.

Üblich ist die Herstellung der Probekörper durch Spritzgießen. Hierzu wird der in der ISO 527-2 definierte Probekörper vom Typ 1A verwendet, der in der ISO 3167 als Probekörper Typ A zusätzlich auf eine festgelegte Dicke von 4 mm eingegrenzt ist. Dieser Probekörper wird zudem in der ISO 20753 als Probekörper A1 geführt.

Der spritzgegossene Probekörper weist eine mit zunehmender Entfernung vom Anspritzpunkt abnehmende Orientierung auf, die zu einem nicht konstanten Verlauf der mechanischen Eigenschaften über die Länge des Probekörpers und damit häufig zu einem Probenbruch auf der angussfernen Seite führt.

Die Messlänge des Probekörpers beträgt vorzugsweise 75 mm, alternativ 50 mm.

Alternativ ist die Verwendung des Probekörpers vom Typ 1B erlaubt, der in der ISO 3167 mit Typ B und in der ISO 20753 mit Typ A2 bezeichnet ist.

Dieser Probekörper wird in der Regel aus gepressten oder spritzgegossenen Platten herausgefräst. Die Orientierungen des Polymers unterscheiden sich damit normalerweise deutlich von denen im spritzgegossenen Probekörper. Eine Vergleichbarkeit von Ergebnissen, die mit verschiedenen Probenformen ermittelt wurden, ist nicht sichergestellt.

Die Messlänge ist beim Probekörper Typ 1B aufgrund des größeren Radius und des damit kürzeren parallelen Bereichs auf 50 mm festgelegt.

Probenform_Alterungspruefung

Probekörper Alterungsprüfungen, Medienlagerung, Bewitterungsprüfung

Bei allen Alterungsvorgängen, die von der Oberfläche des Probekörpers her ablaufen, ist ein geringer Querschnitt vorteilhaft. Oft wird zur Beurteilung dieses Verhaltens nur die Höchstzugspannung herangezogen. Entsprechend ist der Einsatz von Längenänderungsaufnehmer nicht erforderlich, und es können dünne, taillierte Probekörper verwendet werden. Die ISO 527 bietet zu diesem Zweck die Typen CP und CW an, die aus der Schlagzugnorm ISO 8256 entlehnt sind.

Definierte Konditionierungs- und Umgebungsbedingungen

Das Einhalten definierter Konditionierungs- und Umgebungsbedingungen in Bezug auf Temperatur und Luftfeuchtigkeit ist von großer Bedeutung für die Vergleichbarkeit der Prüfergebnisse.

Die Festlegungen für die Konditionierdauer finden sich üblicherweise in den Werkstoffnormen des zu prüfenden Kunststoffs. Darüber hinaus müssen die Probekörper im Rahmen der Formmasseprüfung  mindestens für 16 Stunden im Normklima gelagert werden. 

Werden Prüfungen im Normklima durchgeführt, so ist damit ein bestimmtes Normalklima gemeint, das in ISO 291 bzw. in ASTM D 1349 festgelegt ist. 

Gemäßigtes Klima: 23 ± 2 °C, 50 ± 10 %r.F.
Subtropisches Klima: 27 ± 2 °C, 65 ± 10 %r.F.

Die Toleranzangaben entsprechen der Klasse 2. In Klasse 1 sind diese Toleranzen halbiert.

Mit Raumtemperatur wird üblicherweise ein etwas breiterer Temperaturbereich bezeichnet, der zwischen
18 °C und 28 °C liegen kann.

Daneben sind Prüfungen bei hohen oder niedrigen Temperaturen möglich, für die abweichende Anforderungen festgelegt sein können.

Exakte Bestimmung der Dimensionen des Probekörpers

Die Bestimmung der Probekörperabmessungen kann einen relativ hohen Fehlerbeitrag in Bezug auf die zu ermittelnden Spannungswerte liefern. Bei Zugbeanspruchungen geht der Messfehler linear in das Spannungsergebnis ein. Bei allen Biegebeanspruchungen wirkt sich der Messfehler der Probendicke sogar quadratisch aus. 

Neben der Ablesegenauigkeit des verwendeten Messmittels spielen Größe und Form des verwendeten Kontaktelements sowie die beim Messen aufgebrachte Flächenpressung eine wesentliche Rolle.

Darüber hinaus weicht der Querschnitt des Probekörpers oft von einer idealen Rechteckform ab. Dies können Winkelfehler aus der mechanischen Bearbeitung sein oder Einfallstellen und leichte Entformungsschrägen bei den spritzgegossenen Probekörpern.

Viele Prüfnormen verweisen auf ISO 16012 bzw. auf ASTM D 5947, um die Anforderungen und Methodik der Dimensionsmessung festzulegen. Teilweise enthalten die einzelnen Prüfnormen noch zusätzliche Festlegungen.

Für Abmessungen größer 10 mm bei festen Kunststoffen, also zum Beispiel die Messung der Gesamtlänge, wird üblicherweise ein Messschieber verwendet. Aufgrund der nicht kontrollierbaren Flächenpressung während des Messvorgangs ist die Messgenauigkeit selbst bei hoher Auflösung des Messschiebers eher gering.

Die Dicke und Breite der Probekörper wird üblicherweise mit einer Mikrometerschraube mit Ratsche bestimmt. Die Kontaktfläche ist dabei kreisförmig-flach mit einem Durchmesser von 6,35 mm. Die Ratsche begrenzt die Messkraft auf einen Bereich zwischen 5 N und 15 N.

Bei automatisierten Anlagen werden Dicke und Breite mit einem Querschnittsmessgerät bestimmt. Diese Geräte halten den Probekörper während der Messung in Position und bestimmen die Abmessungen mit vier digitalen Messtastern, einer definierten Messkraft und geeigneten Tastfüßen.

Bei weichen Kunststoffen sowie bei Folien ist eine genauere Einhaltung der Messkraft erforderlich. Zu diesem Zweck werden digitale Dickenmessgeräte mit Totgewichtauflage verwendet.

Anforderungen an die Prüfmaschine

Die zwei wesentlichen Messgrößen einer Prüfmaschine sind Kraft- und Längenänderung. Im Rahmen einer periodischen Kalibrierung gegenüber einem auf ein nationales Normal rückführbares Messmittel wird der Nachweis erbracht, dass diese Messgrößen über festgelegte Bereiche eine in den Prüfnormen festgelegte Genauigkeit erreichen. 

Kraftmessung (ISO 7500-1, ASTM E4)

Die meisten Prüfnormen fordern eine Messgenauigkeit von 1% bezogen auf den jeweiligen Messwert. Diese Forderung wird im ISO-Umfeld mit „Klasse 1“ bezeichnet. Nahezu alle modernen Prüfmaschinen erreichen heute diese Klasse 1 oder sogar Klasse 0,5 deren Toleranzen halbiert sind. Ausschlaggebend ist daher der Messbereich, über den eine Prüfmaschine die angegebene Klassengenauigkeit erzielt. Verschiedene Zwick Prüfmaschinen erreichen die Klasse 1 bereits ab 1/1000 ihres Messbereichs. So können Modulwerte und Zugspannungen vieler Werkstoffe mit dem gleichen Prüfaufbau ohne Umbau gemessen werden.
Lngennderungsmessung ISO 9513_ASTM E 83

Längenänderungsmessung (ISO 9513, ASTM E83)

Die Klassenangaben zur Längenänderungsmessung enthalten neben einem definierten relativen (prozentualen) Fehler zusätzlich eine Angabe für einen absoluten Fehler, der bei der Messung kleiner Längenänderungen zum Tragen kommt.

Hier unterscheiden sich ISO und ASTM deutlich. Während sich in der ISO die Toleranzen auf die Längenänderung beziehen, wird in der ASTM direkt auf die Dehnung Bezug genommen. Weiterhin werden in der ISO die Anforderungen im Bereich kleiner Dehnungen deutlich enger gefasst als in den entsprechenden Klassen der ASTM. So ergeben sich je nach verwendeter Messlänge zum Teil sehr deutliche definitionsgemäße Unterschiede, insbesondere bei der Messung kleiner Längenänderungen.

Besonderheiten_Messung_Zugmodul
Besonderheiten bei der Messung eines Zugmoduls

Wie aus der obenstehenden Tabelle ersichtlich ist, liegen die Genauigkeitsanforderungen für den Dehnungsbereich des Zugmoduls in der ISO-Klasse 1 bei ± 3 µm. Dies bedeutet, dass zwischen den Messungen bei Beginn und bei Ende des Modulbereichs eine Abweichung von bis zu 6 µm vorliegen kann. Dies würde zu einem entsprechend großen Messfehler führen.

Um dieses Problem zu lösen, wurde in der ISO 527-1 eine Zusatzanforderung für die Messung des Zugmoduls eingeführt. Diese Zusatzanforderung legt fest, dass die Messstrecke zwischen Beginn und Ende der Modulbestimmung mit einer Genauigkeit von 1% zu messen ist.

Video Zugversuch ISO 527

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Zugversuch an Kunststoffen nach ISO 527 mit makroXtens

Der makroXtens II ist ein universell und vielseitig einsetzbarer hochgenauer Längenänderungsaufnehmer.

Zwick unterstützt Kingfa bei der Materialprüfung

Kingfa ist der größte Hersteller von Kunststoff Formmassen (Compounds) in China und einer der größten Hersteller weltweit. Zu den wichtigsten Kunden gehören VW, Honda, GM, Toyota, Sony, Philips, Samsung und LG.
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