Mechanische Festigkeiten

Mechanische Festigkeiten

 

Bei der Konstruktion mit Kunststoffen ist es erforderlich, die wesentlichen Eigenschaften des verwendeten Materials zu kennen.

Festigkeit und Plastizität /Sprödigkeit

Die Mechanische Festigkeit ist die Beanspruchung, die aufgewendet werden muss, um ein bestimmtes kritisches Beanspruchungsniveau zu überschreiten, welches zum Bruch oder irreversibler Deformation des Werkstücks oder Bauteils führt.

Prüfmethoden zur Ermittlung der Festigkeit

Zugfestigkeit im uniaxialen Zugversuch
Im konventionellen Zugversuch an Kunststoffen werden spannungs- und dehnungsbezogene Kennwerte nach DIN EN ISO 527-1 ermittelt, hier sind vor allem zu nennen die maximale Zugfestigkeit (=Höchstspannung) und die Bruchdehnung (=Reißdehnung).

Zugversuche werden auch bei der Prüfung der chemischen und thermischen Beständigkeit von Kunststoffen eingesetzt, da sich auch kleinste Materialveränderungen in den Prüfergebnissen erkennen lassen. Hier ist besonders zu nennen, die Festigkeit der Polyurethane bei unterschiedlichen Temperaturen.

Weitere Nachweise

Optional möglich sind auch noch die folgenden Tests:

  • Biegefestigkeit im Dreipunkt- oder Vierpunktbiegeversuch
  • Druckfestigkeit im uniaxialen Druckversuch
  • Kompressionsfestigkeit unter hydrostatischer Beanspruchung
  • Torsionsfestigkeit im Torsionsversuch
  • Scherfestigkeit im ein- oder zweischnittigen Scherversuch
  • Knickfestigkeit im Knickversuch nach Euler

Dauerfestigkeit

Im Allgemeinen wird die Dauerfestigkeit von Kunststoffen nur mit 20 % bis 30 % der Zugfestigkeit angesetzt, für Baustähle liegt dieser Wert dagegen bei 60 % bis 80 %.

Bei der Ermittlung der Dauerfestigkeit ist das Deformationsverhalten der zu prüfenden Werkstoffe zu berücksichtigen. Bei elastischen Kunststoffen ist das Verformungsverhalten nachlaufend (Walkarbeit), die wirkende Beanspruchung erzeugt nicht augenblicklich eine entsprechende Deformation. Bei jedem Lastspiel nimmt das Elastomer einen bestimmten Teil der  Deformationsarbeit auf, diese Energie wird in Wärme umgesetzt. Kunststoffe sind meist schlechte Wärmeleiter, die eingebrachte Energie führt zu einer dauerhaften Erwärmung und bewirkt somit einen Abfall des E-Moduls.

Elastizität (E-Modul)

Der E-Modul bezeichnet den Steifigkeitsfaktor eines Kunststoffes, als im ideal-elastischen Anfangsbereich seiner Spannungs-Dehnungskurve und wird in N/mm2 oder MPa ausgedrückt. Je höher der E-Modul-Wert, desto steifer ist das Material. Einfach gesagt ist der E-Modul ein Kennwert dafür, wie stark ein Werkstoff bei Krafteinwirkung nachgibt (Widerstandskraft gegen Verformung). Bei gleicher Belastung und Geometrie wird ein Bauteil aus einem Elastomer wesentlich stärker nachgeben als das gleiche Bauteil beispielsweise aus Stahl.

Prüfmethoden zur Ermittlung des E-Moduls

Zur Bestimmung des Elastizitätsmoduls (E-Modul) werden Materialproben im Zugversuch getestet, indem die Probe mit bekanntem Ausgangsquerschnitt in eine Zugprüfmaschine eingespannt und mit einer Zugkraft F belastet wird. Unter Erhöhung der Kraft wird diese dann über der verursachten Längenänderung grafisch dargestellt.