Schlagfestigkeit:Definitionen, Bedeutung und präzise Messtechniken

Die Schlagfestigkeit ist das Maß für die Fähigkeit eines Materials, Rissen, Brüchen oder plastischer Verformung bei plötzlichen und starken Stößen oder Stoßbelastungen zu widerstehen. Es handelt sich um eine entscheidende Eigenschaft, die die Fähigkeit des Materials bestimmt, plötzlichen Kräften standzuhalten. Die Konstruktion von Komponenten, die hohen Stoß- oder Stoßbelastungen ausgesetzt sind, hängt vom Verständnis dieser Messungen ab, um mögliche Ausfälle zu berücksichtigen. Die Schlagzähigkeit eines Materials wird normalerweise mit dem IZOD-Test oder Charpy-Tests quantifiziert. Hierbei handelt es sich um indikative und standardisierte Tests zur Einstufung von Materialien. Sie sind jedoch nicht repräsentativ für die tatsächliche Nutzung und liefern nur begrenzte Informationen über die zyklische oder reale Belastung. In diesem Artikel werden die Schlagfestigkeit, ihre Berechnung, ihre Bedeutung, die Faktoren, die sie beeinflussen, und die verschiedenen Arten von Ausfällen bei der Schlagfestigkeit beschrieben.

Was ist Schlagfestigkeit?

Die Schlagfestigkeit ist ein Maß für die Fähigkeit eines Materials, einem Bruch unter Stoß- und Impulsbelastung zu widerstehen. Sie gilt nur für Materialien, die Sprödbruch erleiden. Es wird auch bei der Prüfung duktiler Werkstoffe eingesetzt, die einen temperaturabhängigen und/oder impulsabhängigen spröd-duktilen Übergang aufweisen. Viele Materialien, die unter „normalen“ Belastungs- und Betriebsbedingungen duktil sind, können bei Kälte und/oder plötzlichen Stößen ein sprödes Verhalten zeigen. Die Bewertung dieser Verhaltensweisen ist für das Produktdesign und die Materialauswahl aufschlussreich.

Welche Bedeutung hat die Schlagfestigkeit?

Das Verständnis des Aufprallverhaltens von Materialien ist eine wichtige Designinformation, die sowohl die Materialauswahl als auch das detaillierte Design beeinflusst. Komponenten, die wahrscheinlich starken Stößen (d. h. kurzzeitigen Stößen) ausgesetzt sind, müssen so konstruiert sein, dass sie den katastrophalen Auswirkungen, die diese verursachen können, standhalten.

Für eine gute Gestaltung widerstandsfähiger Produkte müssen neben der grundlegenden Schlagfestigkeit auch verschiedene Verhaltensweisen verstanden werden. Das Verständnis von Eigenschaften wie Ermüdung, Mikrobruch und gemischtem duktilem/sprödem Verhalten trägt auch dazu bei, die Herstellung von Produkten zu reduzieren/vermeiden, die im Betrieb vorzeitig ausfallen. In vielen Bereichen kommt der Lebensdauer eine besondere Bedeutung zu. Es ermöglicht vorbeugende Wartung und fördert das Verständnis von Inspektionsprozessen und -plänen, um Ausfällen vorzubeugen.

Wie wird die Schlagfestigkeit berechnet oder gemessen?

Nachfolgend sind die beiden Methoden zur Berechnung der Schlagfestigkeit aufgeführt:

1. Charpy-Schlagtest

Der Charpy-Test wird weniger häufig verwendet als der IZOD-Test und führt zu einer Messung der absorbierten Charpy-V-Aufprallenergie in Joule. Dies wird anhand des Wegs des Hammers nach dem Aufprall gemessen, da die verbleibende Energie beim weiteren Schwingen des Schwinghammers abgebaut wird.

Weitere Informationen finden Sie in unserem vollständigen Leitfaden zum Charpy Impact Test.

Welche Faktoren beeinflussen die Schlagfestigkeit von Materialien?

Nachfolgend sind die Faktoren aufgeführt, die die Schlagfestigkeit des Materials beeinflussen:

1. Materialstärke

Dickeres Material beeinflusst die Festigkeit, indem es mehr Struktur/Bindungen bereitstellt, die möglicherweise aufgebrochen werden müssen, um einen Bruch zu erreichen.

2. Temperatur

Bei vielen Materialien ändern sich die Eigenschaften erheblich, wenn sich die Temperatur ändert. Die Charakterisierung dieser Veränderungen ist ein entscheidender Teil des Materialdefinitions-/Testprozesses, und sowohl IZOD- als auch Charpy-Tests werden bei einer Reihe von Standardtemperaturen durchgeführt.

Insbesondere Metalle haben eine Glühtemperatur, bei der sie eine stärkere Selbstheilung erreichen können. Aluminium zum Beispiel glüht bei 570 °F, sodass alle Kristallgrenzen ineinander übergehen und das Material sehr duktil wird. Einige Materialien verspröden bei niedrigen Temperaturen. Viele Materialien werden schwächer, wenn sie heißer werden, wobei ungewöhnliche Übergänge bei Temperaturen wie dem Beginn des Glasübergangs erkennbar sind.

3. Kerbenradius

Spannungskonzentration ist ein wichtiger Faktor für die Materialfestigkeit. Eine Kerbe mit scharfer Spitze fördert den Bruch, indem sie die Spannung auf einen Punkt konzentriert. Daher ist der Kerbenradius beim Vergleich von Tests für ähnliche Materialien von entscheidender Bedeutung.

Welche verschiedenen Arten von Schlagfestigkeitsfehlern gibt es?

Nachfolgend sind die verschiedenen Arten von Schlagfestigkeitsfehlern aufgeführt:

1. Sprödbruch

Bei einem Sprödbruch handelt es sich um einen Bruch, bei dem sich eine Materialprobe in zwei oder mehr Teile zerlegt hat. Diese Teile können wieder zusammengefügt werden, um die ursprüngliche Form/Umriss des Teils zu erhalten. Ein Cracker erleidet Sprödbruch, wenn er frisch und knusprig ist.

2. Duktiler Bruch

Ein duktiler Bruch kommt selten vor. Duktile Versagensarten treten auf, wenn sich ein Material irreversibel (d. h. einer plastischen Verformung) und in großem Umfang verengt. Im Allgemeinen sieht ein massives duktiles Versagen in einem Zugversuchsstück aus wie ein Plastilin, das zu einem Hals gezogen wurde. Darauf folgt im Allgemeinen ein kleiner spröder Bruch, der sich wieder sauber zusammenfügen lässt – anstatt sich zu einem haarfeinen Faden auszudehnen.

3. Nachgeben

Nachgeben ist ein Merkmal elastischer Materialien, die ihre Elastizitätsgrenze erreichen und sich dann plastisch verformen. Wenn Kräfte unterhalb der Streckgrenze auftreten, nimmt das Material beim Nachlassen der Kraft seine ursprüngliche Form/Abmessungen wieder an. Wenn andererseits die Streckgrenze oder Streckgrenze überschritten wird, erfährt das Material eine gewisse plastische (d. h. bleibende) Verformung. Wenn die Kraft nachlässt, stellt das Material seine elastische Verformung wieder her, nicht jedoch die Kunststoffkomponente.

4. Leichte Risse

Der Zweck sowohl des Charpy- als auch des IZOD-Tests besteht bei korrekter Durchführung darin, die Materialprobe in zwei oder mehr Teile zu teilen oder zu brechen. Wenn die Probe nur leicht beschädigt oder teilweise gebrochen ist, kann ein Test mit höherer Energie oder einer tieferen Kerbe angebracht sein. Das Versagen kann durch eine Mischung von Modi erreicht werden – Scherung, Duktilität und Sprödigkeit. Die Fehlertypen werden wie folgt aufgelistet:vollständiger Bruch, Scharnierbruch, unvollständiger Bruch und kein Bruch.

Wie hängt die Schlagfestigkeit mit dem 3D-Druck zusammen?

Die meisten 3D-gedruckten Kunststoffe weisen eine deutlich geringere Schlagfestigkeit auf als ein geformter oder bearbeiteter Block aus demselben Material. Dies ist eine Funktion der anisotropen Eigenschaften der beim 3D-Druck verwendeten Konstruktionsmethoden und kann sich erheblich auf die Bauausrichtung beziehen. Beispielsweise bieten FDM-Teile im Allgemeinen bessere inter -Schichtverklebung als intra -Schicht, sodass die Modelle in der X-Y-Ebene des Aufbaus ein angemessenes Maß an Festigkeit aufweisen, entlang der Z-Achse jedoch sehr viel schwächer sind. Diese Variation/Richtung gilt in unterschiedlichem Maße auch für andere Modelltypen.

Was ist die ideale Schlagfestigkeit für ein 3D-gedrucktes Material?

Die ideale Schlagfestigkeit für ein 3D-gedrucktes Material variiert je nach Materialeigenschaften. Im Allgemeinen liegt die Schlagfestigkeit von FDM-gedruckten Teilen, beispielsweise aus PLA, in Charpy-Tests auf der Z-Achse nahe Null und auf der X-Y-Achse bei bis zu 23 kJ/m2.

Was sind die Anwendungen der Schlagfestigkeit?

Während die Prüfung der Schlagfestigkeit keinen absoluten Bezugspunkt bei der Konstruktion von Bauteilen bieten kann, handelt es sich um eine notwendige Skalierungsmessung. Nachfolgend sind einige Anwendungen der Schlagfestigkeit aufgeführt:

1. Die relative Festigkeit von Materialien.
2. Fehlermodi unter „normalen“ widrigen Bedingungen. Diese Ergebnisse können in den Designprozess einfließen, indem sie die Steifigkeit und Energiedissipation der Komponenten verbessern. Es trägt dazu bei, die Leistung in der Praxis zu verbessern, indem es beispielsweise duktile Verformungen, die vorhersehbar auftreten können, besser toleriert.
3. Verstehen des Temperaturverhaltens, um die Auswahl von Materialien zu ermöglichen, die für die erwarteten Arbeitsbedingungen des Teils geeignet sind.
4. Verstehen anderer Umweltfaktoren wie Feuchtigkeitseinwirkung/-aufnahme und deren Auswirkungen auf Teile.

Was sind Beispiele für die Schlagfestigkeit einiger Materialien?

Materialwirkungsprüfungen sind ein Bereich mit gemischten Ergebnissen. Nicht alle Tests sind so streng, wie sie sein sollten. Bei der Materialherstellung kann es zu Schwankungen kommen, die erst beim Versagen sichtbar werden. Bei Metallen können die Wärmebehandlung und die daraus resultierenden Veränderungen der Kristallstruktur weitreichende Auswirkungen haben, die schwer zu verstehen oder zu quantifizieren sind. Legierungsmittel sind ähnlich wichtig, wenn auch weniger verborgen. Schließlich können Herstellungsprozesse die Leistung so stark verändern, dass grundlegende Materialtests nicht mehr aussagekräftig sind. Ein gutes Beispiel ist der Unterschied zwischen einem Schmiede- und einem Gussstahlteil aus dem gleichen Material. Das Rohmaterial ist identisch, aber das Schmiedeteil kann um Größenordnungen steifer, fester und bruchsicherer sein.

Wie hoch ist die Schlagfestigkeit von Kunststoff?

Die Schlagfestigkeiten einiger gängiger Polymere sind in der folgenden Tabelle 1 aufgeführt: 

Tabelle 1:Schlagfestigkeiten einiger gängiger Polymere

Polymer Mindest-IZOD-Wert (J/m2) Maximaler IZOD-Wert (J/m2)

Polymer

ABS – Acrylnitril-Butadien-Styrol

Min. IZOD-Wert (J/m2)

200

Maximaler IZOD-Wert (J/m2)

215

Polymer

ASA – Acrylnitril-Styrol-Acrylat

Min. IZOD-Wert (J/m2)

100

Maximaler IZOD-Wert (J/m2)

600

Polymer

HDPE – Polyethylen hoher Dichte

Min. IZOD-Wert (J/m2)

20

Maximaler IZOD-Wert (J/m2)

220

Polymer

HIPS – Hochschlagfestes Polystyrol

Min. IZOD-Wert (J/m2)

50

Maximaler IZOD-Wert (J/m2)

350

Polymer

LDPE – Polyethylen niedriger Dichte

Min. IZOD-Wert (J/m2)

999

Maximaler IZOD-Wert (J/m2)

999

Polymer

LLDPE – Lineares Polyethylen niedriger Dichte

Min. IZOD-Wert (J/m2)

54

Maximaler IZOD-Wert (J/m2)

999

Polymer

PA 66 – Polyamid 6-6

Min. IZOD-Wert (J/m2)

50

Maximaler IZOD-Wert (J/m2)

150

Polymer

PBT – Polybutylenterephthalat

Min. IZOD-Wert (J/m2)

27

Maximaler IZOD-Wert (J/m2)

999

Polymer

PC – Polycarbonat

Min. IZOD-Wert (J/m2)

80

Maximaler IZOD-Wert (J/m2)

650

Polymer

PET – Polyethylenterephthalat

Min. IZOD-Wert (J/m2)

140

Maximaler IZOD-Wert (J/m2)

140

Polymer

PETG – Polyethylenterephthalat-Glykol

Min. IZOD-Wert (J/m2)

50

Maximaler IZOD-Wert (J/m2)

50

Polymer

PMMA – Polymethylmethacrylat/Acryl

Min. IZOD-Wert (J/m2)

10

Maximaler IZOD-Wert (J/m2)

25

Polymer

POM – Polyoxymethylen (Acetal)

Min. IZOD-Wert (J/m2)

60

Maximaler IZOD-Wert (J/m2)

120

Polymer

PP – Polypropylen 10–20 % Glasfaser

Min. IZOD-Wert (J/m2)

50

Maximaler IZOD-Wert (J/m2)

145

Polymer

PTFE – Polytetrafluorethylen

Min. IZOD-Wert (J/m2)

160

Maximaler IZOD-Wert (J/m2)

200

Polymer

Hart-PVC

Min. IZOD-Wert (J/m2)

20

Maximaler IZOD-Wert (J/m2)

110

Tischnachweis:https://omnexus.specialchem.com/

Häufig gestellte Fragen zur Schlagfestigkeit

Welches ist das Metall mit der höchsten Schlagfestigkeit?

In Forschungsergebnissen wurde der höchste Charpy-Testwert, der jemals erreicht wurde, für eine Metallverbundprobe (~450 J) ermittelt. Es handelte sich um einen laminierten Block aus abwechselnden Blechen aus heißwalzgebundenen Ferrit- und Martensitstählen.

Mit welchem Gerät wird die Schlagfestigkeit des Materials gemessen?

Sowohl beim IZOD- als auch beim Charpy-Test wird die Probe mit einem Schwinghammer beaufschlagt, dessen Energie durch ein höheres oder niedrigeres Pendelgewicht angepasst werden kann. Bei der IZOD-Prüfung wird die Probe im Allgemeinen an einem Ende festgeklemmt, vertikal montiert und kann gekerbt sein oder (seltener) nicht. Die Kerbe kann zum Hammer zeigen oder umgekehrt sein. Auch wenn die Messungen im Prinzip kaum variieren sollten, ist die Konsistenz in jedem Testzyklus wichtig. Beim Charpy-Test überbrückt die Probe die horizontale Lücke zwischen zwei Stützen, auf denen sie ruht. Der Hammer schwingt zwischen diesen Stützen und ist bei höherfesten Materialien schwerer.

Was ist der Unterschied zwischen Schlagfestigkeit und Zugfestigkeit?

Die Schlagfestigkeit definiert die Fähigkeit einer Komponente, einer Verformung und einem Bruch zu widerstehen, wenn sie seitlich einem Aufprall ausgesetzt wird und ein oder beide Enden abgestützt werden. Beim Zugversuch wird eine Längslast auf ein Ende einer Probe ausgeübt, während das andere Ende fest in einer 2D-Spannzange gehalten wird. Die Zugkapazität ist ein klareres Maß mit einer besser quantifizierten Ausgabe, die sich in einer einfachen, berechenbaren Zugfestigkeit für Komponenten niederschlägt.

Weitere Informationen finden Sie in unserem vollständigen Leitfaden zur Zugfestigkeit.

Zusammenfassung

In diesem Artikel wurde die Schlagfestigkeit vorgestellt, erklärt, was sie ist, und erörtert, was sie in der Fertigung bedeutet. Um mehr über die Schlagfestigkeit zu erfahren, wenden Sie sich an einen Xometry-Vertreter.

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Dean McClements

Dean McClements hat einen Bachelor-Abschluss in Maschinenbau mit Auszeichnung und über zwei Jahrzehnte Erfahrung in der Fertigungsindustrie. Sein beruflicher Werdegang umfasst wichtige Positionen bei führenden Unternehmen wie Caterpillar, Autodesk, Collins Aerospace und Hyster-Yale, wo er ein tiefes Verständnis für technische Prozesse und Innovationen entwickelte.

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