Keramische äquibiaxiale Biegefestigkeitsprüfvorrichtung (ASTM C1499 & ASTM F394)

Modell Nr. WTF-CB (Edelstahl)

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Abb. 1: Montierter Prüfadapter ohne Prüfling.

ASTM C1499 (Referenz 1) ist eine relativ neue Norm, die im Jahr 2001 eingeführt wurde. Eine dünne kreisförmige Scheibe (eine quadratische Probe ist ebenfalls zulässig) aus einem monolithischen keramischen Material oder einem whisker- oder partikelverstärkten Keramikmatrix-Verbundwerkstoff wird auf einem Ring gelagert und durch einen konzentrischen Ring mit kleinerem Durchmesser belastet, eine so genannte Ring-auf-Ring-Belastung. Die erforderlichen Durchmesser des Stütz- und Belastungsrings sind abhängig von der Dicke und den Materialeigenschaften der zu prüfenden Probe. Die Norm enthält Ausdrücke zur Berechnung dieser Parameter.

Um eine gleichmäßige Lastverteilung zu erreichen, müssen entweder die Probenoberflächen sehr flach sein (typischerweise durch Oberflächenschleifen), oder es wird eine relativ dicke (die Hälfte der Probendicke) Platte aus einem nachgiebigen Material (z. B. Gummi) zwischen jeden Ring und die Probe gelegt. Als weiteres Hilfsmittel, um eine gleichmäßige Belastung zu erreichen, ist der Belastungskopf gelenkig auf einem Kugelsitz gelagert. Trotz dieser Bedenken bezüglich der gleichmäßigen Lasteinleitung wird diese Prüfmethode immer beliebter. Die Abb. 1 und 2 zeigen diese Vorrichtung in montiertem und demontiertem Zustand.

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Abb. 2: Demontierter Prüfadapter.

Zusätzlich zur ASTM C1499, die für Hochleistungskeramik im Allgemeinen geschrieben wurde, gibt es die ISO 13356 (Referenz 2) für keramische chirurgische Implantatmaterialien und insbesondere für Yttrium-stabilisiertes tetragonales Zirkoniumdioxid (Y-TZP). Sie verwendet dieselbe Art von Halterung, legt aber eine bestimmte Größe fest, nämlich einen 30-mm-Stützring, einen 12-mm-Ladering und einen 2-mm-Querschnittsradius der Ringe.

Eine andere, viel ältere ASTM-Prüfmethode, ASTM F394 (Referenz 3), die erstmals 1974 eingeführt wurde, wird immer noch gelegentlich verwendet, obwohl sie 2001 von der ASTM eingestellt wurde. Die Prüfvorrichtung ist in Abb. 3 dargestellt. Eine dünne Scheibe des zu prüfenden keramischen Materials mit einem Durchmesser von 1,25" wird auf drei Kugeln mit einem Durchmesser von 0,125" gelagert, die in gleichmäßigen Abständen um einen Kreis mit einem Durchmesser von 1" angeordnet sind. In der Mitte der Scheibenprobe wird eine Druckbelastung durch einen gehärteten Stahlstab mit flachem Ende und einem Durchmesser von 0,0625" aufgebracht. Eine dünne (0,002" dicke) Polymerfolie (z. B. Polyethylen) wird unter den flachen Belastungsstab mit einem Durchmesser von 0,0625" gelegt, um die aufgebrachte Belastung gleichmäßiger zu verteilen. Die Mindestdicke der Probe muss so bemessen sein, dass ihre mittlere Durchbiegung beim Bruch die Hälfte der Probendicke nicht überschreitet.

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Abb. 3: Zusammengebaute ASTM F394-Vorrichtung ohne Probekörper

Ein wichtiger Vorteil dieser biaxialen Prüfkonfiguration ist, dass die Probenverformung im Gegensatz zur Ring-auf-Ring-Prüfung (ASTM C1499) kein Einflussfaktor ist. Die Verformung der Probe ist auch ein Problem bei der Biegeprüfung eines geraden Balkens (Referenz 4), die eine schwenkbare Prüfvorrichtung erfordert.

Beide biaxialen Prüfverfahren haben gegenüber einem Biegeversuch an einem geraden Balken den Vorteil, dass die maximale (biaxiale) Zugspannung in der Mitte der Probe an der unteren (bei Durchbiegung konvexen) Seite auftritt. Daher ist die Oberflächenbeschaffenheit der Kante der Probe nicht kritisch. Dies ist bei der Biegeprüfung eines geraden Balkens nicht der Fall.

Quellen für zusätzliche Informationen:

1) ASTM Standard C 1499-09 (2013), "Monotonic Equibiaxial Flexural Strength of Advanced Ceramics at Ambient Temperature", American Society for Testing and Materials, West Conshohocken, PA (Erstausgabe 2001).

2) ISO 13356, "Implantate für die Chirurgie - Keramische Werkstoffe auf der Basis von Yttrium-stabilisiertem tetragonalem Zirkoniumdioxid (Y-TZP)", Internationale Organisation für Normung, Genf, Schweiz, 1997.

3) ASTM-Standard F 394-78 (1996 erneut genehmigt und 2001 eingestellt), "Biaxial Flexure Strength (Modulus of Rupture) of Ceramic Substrates", American Society for Testing and Materials, West Conshohocken, PA (erstmals 1974 veröffentlicht).

4) ASTM-Standard C 1161-13 (2013), "Flexural Strength of Advanced Ceramics at Ambient Temperature", American Society for Testing and Materials, West Conshohocken, Pennsylvania (Erstausgabe 1990).