Was ist ein Biegeversuch?
Die Biegeprüfung ist eine mechanische, meist zerstörende Prüfung. Man unterscheidet grundsätzlich zwischen einem 3-Punkt und 4-Punkt-Biegeversuch. Eine besondere Form der dynamischen Biegebeanspruchung ist die Umlaufbiegeprüfung.
Beim Biegeversuch wird die Probe auf zwei Auflagern liegend mit einem Biegestempel belastet. Durch die Biegung der Probe entstehen an der einen Oberfläche Druckspannungen und an der gegenüberliegenden Oberfläche Zugspannungen. Diese Spannungsverteilung (als Gradient) über den Querschnitt unterscheidet den Biegeversuch damit klar vom Zugversuch oder Druckversuch, wo eine mehr oder weniger homogene Spannungsverteilung vorliegt.
Die maximale Beanspruchung tritt an den Oberflächen auf. Das Materialversagen tritt somit an den Rändern der Probe auf.
Biegeversuche können sowohl quasi-statisch als auch dynamisch (zyklische Belastung zur Ermüdung der Probe) durchgeführt werden.
3-Punkt Biegeversuch
Beim 3-Punkt-Biegeversuch wird die Probe bzw. der Prüfkörper mit zwei Auflagen gelagert und mit einem Biegestempel mittig belastet. Dadurch wirkt auf die Probe neben dem Biegemoment auch eine gleichmässige Querkraft auf die Probe. Der 3-Punkt-Biegeversuch ist ein einfacher und am häufigsten verwendeter Aufbau für die Biegeprobe.
4-Punkt Biegeversuch
Beim 4-Punkt-Biegeversuch wird die Prüfprobe mit zwei Biegestempeln belastet. Die Probe ist wie beim 3-Punkt-Biegeversuch auf zwei Auflagen gelagert. Dadurch herrscht zwischen den beiden Druckstempeln ein konstantes Biegemoment. Gleichzeitig ist der Bereich zwischen den beiden Druckstempeln querkraftfrei.
Umlaufbiegeversuch
Die Umlaufbiegeprüfung ist ein dynamische, zerstörende Prüfung um die Dauerfestigkeit von Werkstoffen oder die Oberflächengüte zu ermitteln. Dabei wird die Probe rotiert und gleichzeitig statisch auf Biegung belastet. Dabei erfährt die Probe eine zyklische Biegebelastung unter reiner Wechsellast (R=-1) mit einer maximalen Beanspruchung in den Randzonen. Das Materialversagen durch Ermüdung des Probekörpers startet dabei an der maximalen Beanspruchung an der Oberfläche durch Rissentstehung.
Wie wird beim Biegeversuch geprüft?
Sandwich Biegeversuch
Für die Charakterisierung von Sandwichproben ist die Biegeprüfung eine aussagekräftige Prüfung z.B. zur Ermittlung der Biegesteifigkeit (z.B. nach DIN 53293) oder der Ermüdungsfestigkeit.
Ein Verbundmaterial in Form eines Sandwiches besteht aus zwei Deckschichten und einem Sandwichkern. Die Deckschichten können aus unterschiedlichen Materialien wie Metallen, faserverstärken Kunststoffen oder auch Papier oder Holz bestehen. Die Kernmaterialien bestehen oft aus Polymerschäumen, Waben oder auch Vollmaterialien wie z.B. Balsaholz.
Häufig werden für die Charakterisierung von Sandwichkernen wie z.B. Polymerschäumen Sandwichproben mit zwei Deckschichten hergestellt um die Biegesteifigkeit und Drucksteifigkeit zu ermitteln. Für eine Ermittlung der reinen Biegesteifigkeit, ohne Querkräfte zu überlagern, wird häufig der 4-Punkt-Biegeversuch als Biegeprüfung verwendet.
Biegeprüfung an Kunstoffen oder Composites (faserverstärkte Kunststoffe) :
Kunststoffe bzw. Composites werden mit dem 3-Punktbiegeversuch auf ihre Werkstoffeigenschaften geprüft. Die Norm ISO 178 beschreibt die Charakterisierung der Biegeeigenschaften an Kunststoffen.
Eine weitere Beschreibung des 3-Punkt Biegeversuchs an Kunststoffen finden Sie in der Norm ASTM D790.
Die beiden genannten Normen beziehen sich auf steife und halbsteife Kunststoffe.
Typische Prüfergebnisse sind:
- der Biegemodul
- die Spannung bei 3,5 % Dehnung
- Spannungen und Dehnungen am Streckpunkt und bei Probenbruch
Biegeversuche an Metallen
Metalle können z.B. nach den Normen ISO 7438, ASTM A370 (speziell für Stähle) geprüft werden. Dabei handelt es sich um einen 3-Punkt-Biegeversuch. Der Biegestempel belastet die Probe mittig zwischen den beiden Auflagern.
Beispielanwendungen für einen Biegeversuch
Biegeversuche für Technische Sicherheit
Für die werkstofftechnische Sicherheit und die einhergehende Charakterisierung von Werkstoffen sind Biegeversuche aussagekräftige Werkstoffprüfungen. Dies findet z.B. Anwendung für Schaumkerne bei Materialverbunden resp. Sandwich in der Transportation Industrie für Aufbauten, oder auch bei Kernen für Windkrafträder.
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Biegeversuche für die Oberflächentechnologie
Für die Charakterisierung von Oberflächengüten bei z.B. anodisierten Aluminiumbauteilen kann für die Lebensdauerbetrachtung die Umlaufbiegeprüfung eine sehr aussagekräftige Werkstoffprüfung darstellen.
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