Scherprüfvorrichtung für kurze Träger (ASTM D2344)

Modell Nr. WTF-SB (Edelstahl)

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Abb. 1: Standard-Scherprüfvorrichtung für kurze Träger (ASTM D2344)

Das obere Foto in Abb. 1 zeigt eine montierte Kurzstab-Scherprüfvorrichtung, jedoch ohne einen darin montierten Prüfling. Diese Vorrichtung wird üblicherweise zur Prüfung von Verbundwerkstoffen verwendet interlaminar (durch die Dicke), in allgemeiner Übereinstimmung mit ASTM Standard D2344 (Referenz 1).

Die ASTM-Norm D2344, die seit 1965 existiert, empfiehlt nun für alle Arten von Materialien ein Verhältnis von Probenlänge zu Probendicke von vier. Eine typische Probe in der Größenordnung von 0,1 Zoll Dicke würde demnach bei einer Stützweite von 0,4 Zoll geprüft werden.

Zur Anpassung an verschiedene Laminatdicken ist die Spannweite der Vorrichtung stufenlos über den gesamten Bereich der Spannweiten bis zu ca. 4,5 Zoll einstellbar. Auf dem Sockel sind Skalenmarkierungen eingraviert, die die Einstellung der gewünschten Spannweite durch Verschieben der Probenhalterungen in die gewünschten Positionen erleichtern. Diese Probenhalter werden dann mit den abgebildeten Inbusschrauben festgeklemmt.

Zwei Ausrichtpfosten aus gehärtetem Stahl mit einem Durchmesser von jeweils 0,5 Zoll sind im Sockel befestigt. Die obere Platte mit den Linearlagern bewegt sich auf diesen Ausrichtpfosten frei auf und ab und hält so die Ausrichtung zwischen den beiden unteren Stützen und dem oberen Ladezylinder aufrecht.

Die beiden Stützen und der Ladekopf bestehen aus gehärteten Stahlzylindern, die jeweils 2,5 Zoll breit sind und in v-Rillen durch kleine Federn an jedem Ende. Dadurch können sie gedreht und bei Bedarf auch leicht ausgetauscht werden. Wenn nicht anders angegeben, werden Stützen mit einem Durchmesser von 1/8 Zoll und ein Ladekopf mit einem Durchmesser von 1/4 Zoll geliefert, wie in der ASTM-Norm D2344 angegeben. Auf Wunsch können jedoch auch Stützen und Belastungsköpfe mit anderen Durchmessern geliefert werden.

Optional können auch einstellbare mechanische Anschläge zur Zentrierung der Probe in der Vorrichtung hinzugefügt werden, wie unten in Abb. 2 gezeigt.

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Abb. 2: Einstellbare Probenzentrieranschläge für die Kurze Balken-Scherprüfvorrichtung.

Die Vorrichtung ist so konstruiert, dass sie direkt auf dem Sockel der Prüfmaschine aufliegt und nicht belastet wird. Eine Druckbelastung kann über den Belastungskopf der Prüfmaschine direkt auf die obere Platte der Scherprüfvorrichtung für kurze Balken aufgebracht werden. Alternativ ist in der oberen Platte eine 0,50 Zoll-13 UNC-Gewindebohrung vorgesehen, wie auf dem oberen Foto von Abb. 1 zu sehen ist, um einen optionalen Adapter zu montieren, der wiederum an der Traverse der Prüfmaschine befestigt werden kann.

Aufgrund der relativ großen möglichen Stützweite von 4,5 Zoll wird diese Vorrichtung auch häufig für Drei-Punkt-Biegeprüfungen (ASTM D790 und D7264) verwendet. Mit dem optionalen Vierpunkt-Belastungskopf mit verstellbarer Spannweite (siehe Abb. 3 unten) kann diese Vorrichtung auch für Vierpunkt-Biegeprüfungen (ASTM D6272 und D7264) verwendet werden.

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Abb. 3: Kombinierte Drei- und Vier-Punkt-Belastung der Kurzstab-Schubprüfvorrichtung mit Drei- und Vier-Punkt-Belastungsköpfen.

Sowohl bei der Drei- als auch bei der Vier-Punkt-Biegeprüfung müssen jedoch die Durchmesser der Belastungs- und Stützzylinder geändert werden, wenn die entsprechenden ASTM-Normen genau eingehalten werden sollen. Die Schernorm ASTM D2344 für kurze Balken schreibt Stützzylinder mit einem Durchmesser von 0,125 Zoll und einen Belastungszylinder mit einem Durchmesser von 0,250 Zoll vor, während die Biegungsnormen ASTM D790 und D6272 Belastungs- und Stützzylinder mit einem Durchmesser von 0,394 Zoll (10 mm) und ASTM D7264 Zylinder mit einem Durchmesser von 0,250 Zoll vorschreiben. In den ISO-, EN- und anderen Normen sind noch andere Durchmesser festgelegt.

Diese Inkonsistenz zwischen den Normen ist bedauerlich, da die Testergebnisse durch diese relativ kleinen Variationen des Zylinderdurchmessers nur wenig beeinflusst werden (siehe z.B. Referenzen 2, 3, 4).

Die Kurzbalkenvorrichtung, entweder in der Drei- oder Vier-Punkt-Belastungskonfiguration, wird auch für die Biegeprüfung von spröden Materialien wie Keramik und Keramik-Matrix-Verbundwerkstoffen verwendet, wenn eine Gelenkverbindung der Belastungs- und Auflagerpunkte nicht erforderlich ist. Eine Gelenkverbindung ist oft nicht erforderlich, wenn diese spröden Proben ausreichend eben sind, z. B. durch Oberflächenschleifen. Wenn bei spröden Materialien eine Verdrehung der Probe oder andere Unregelmäßigkeiten vorhanden sind, kann eine vollatriierte Keramik-Biegefestigkeitsprüfvorrichtung wie unser Modell WTF-CF (siehe Abschnitt D-4) erforderlich sein.

Eine Halterung mit schraubbaren Stützen (die sich gemeinsam ein- und ausfahren lassen) ist ebenfalls erhältlich, wie unten in Abb. 4 gezeigt.

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Abb. 4: Vorder- und Rückansicht der schraubverstellbaren Kurzbalken-Schub- und/oder Biegeprüfvorrichtung mit schraubverstellbaren Auflagern (optionaler Vierpunkt-Lastkopf mit fester Spannweite und verschiedene alternative Auflager-/Lastzylinder-Durchmesser im Vordergrund dargestellt).

Es können auch Sondergrößen, entweder größer oder kleiner als die Standardgröße, hergestellt werden, wie in Abb. 5 unten dargestellt.

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Abb. 5: Standard-Scherprüfvorrichtung für kurze Balken (ASTM D2344) (links) und Spezieller kompakter Drei-/Vierpunkt mit reduzierter Spannweite Schertest-Vorrichtung (rechts).

Quellen für zusätzliche Informationen:

1) ASTM Standard D2344-13, "Short Beam Strength of Polymer Matrix Composite Materials and Their Laminates by Short-Beam Method", American Society for Testing and Materials, West Conshohocken, Pennsylvania (erstmals veröffentlicht 1965).

 2) D.F. Adams und E.Q. Lewis, "Experimental Study of Three- and Four-Point Shear Test Specimens," Journal of Composites Technology and Research, Vol. 17, No. 4, Oktober 1995, pp. 341-349.

3) E.Q. Lewis und D.F. Adams, "An Evaluation of Composite Material Shear Test Methods", Bericht UW-CMRG-R-91-103, Composite Materials Research Group, University of Wyoming, Laramie, Wyoming, Mai 1991.

4) D.F. Adams und J.M. Busse, "Suggested Modifications of the Short Beam Shear Test Method", Proceedings of the 49th Internationales SAMPE-Symposium, Long Beach, CA, Mai 2004.