Endgültige Druckfestigkeit

Die ultimative Druckfestigkeit ist die maximale Druckspannung, die ein Material aushalten kann, bevor es versagt. Sie ist die höchste Belastung pro Flächeneinheit, die eine Probe unter Druck aushalten kann, bevor ein Bruch, ein Knick oder eine dauerhafte Verformung auftritt. Diese Eigenschaft unterscheidet sich von der Zugfestigkeit, die den Widerstand gegen Auseinanderziehen misst, und der Biegefestigkeit, die den Widerstand gegen Biegen misst.

In der Technik wird die Druckfestigkeit in Druckeinheiten wie Megapascal (MPa) ausgedrückt und berechnet, indem die während einer Druckprüfung aufgezeichnete Spitzenlast durch die ursprüngliche Querschnittsfläche der Probe geteilt wird. Der Endwert wird an dem Punkt erreicht, an dem die Spannungs-Dehnungs-Kurve ihren Höhepunkt erreicht, nach dem das Material die Last nicht mehr tragen kann.

Die ultimative Druckfestigkeit ist ein entscheidender Parameter für die technische Konstruktion, Sicherheit und Produktvalidierung. Bei Konstruktionswerkstoffen wie Metallen, Keramik, Verbundwerkstoffen und tragenden Bauteilen beeinflusst sie direkt die Sicherheitsfaktoren und die Materialauswahl.

Hochleistungskeramiken, die in der Luft- und Raumfahrt eingesetzt werden, müssen den im Betrieb auftretenden Druckkräften standhalten. Faserverstärkte Verbundwerkstoffe für den Einsatz im Automobil- oder Schiffsbau erfordern eine nachgewiesene Druckleistung, um ein vorzeitiges Versagen zu vermeiden. Bei Verpackungen, wie z. B. Wellpappe, ist die Druckfestigkeit entscheidend für die Stapelbarkeit und den sicheren Transport. Sicherheitsausrüstungen wie Schutzschuhe müssen strenge Grenzwerte erfüllen, um vor Quetschungen zu schützen.

Die Kenntnis der endgültigen Druckfestigkeit eines Materials hilft Ingenieuren, ihre Konstruktionen im Hinblick auf Gewicht, Kosten und Haltbarkeit zu optimieren und gleichzeitig die Einhaltung der Industrienormen zu gewährleisten.

Ausrüstung und Verfahren

Die Prüfung wird in der Regel mit einer Universalprüfmaschine (UTM ) durchgeführt, die je nach Probengeometrie mit flachen oder konturierten Druckplatten ausgestattet ist. Die Probe, ob zylindrisch, kubisch oder rechteckig, wird zwischen die Platten gelegt und mit einer kontrollierten Geschwindigkeit bis zum Versagen zusammengedrückt.

Der UTM zeichnet sowohl die aufgebrachte Last als auch die Verschiebung auf. Die Spitzenlast wird in Spannung umgewandelt, indem sie durch die ursprüngliche Querschnittsfläche dividiert wird. Die Verschiebungsdaten werden verwendet, um eine Spannungs-Dehnungskurve zu erstellen, die auch Werte wie den Elastizitätsmodul liefern kann.

Probenvorbereitung und Versagensarten

Genaue Ergebnisse hängen von der korrekten Probenvorbereitung ab. In den Normen sind die Abmessungen, die Oberflächenbeschaffenheit und die Anforderungen an die Konditionierung festgelegt, wie z. B. die Kontrolle der Feuchtigkeit bei Pappe oder die Exposition bei hohen Temperaturen bei bestimmten Kunststoffen.

Die Versagensarten variieren je nach Material. Spröde Materialien, wie Keramik, versagen plötzlich und mit geringer Verformung, wobei oft scharfe Bruchflächen entstehen. Duktile Werkstoffe, wie einige Metalle und Polymere, können sich vor dem Versagen erheblich verformen und bilden aufgrund des Poisson-Effekts oft eine tonnenförmige Form.

Die typischen Werte für die Druckfestigkeit variieren stark und reichen von etwa 20 MPa bei einigen Polymerschäumen bis zu über 2000 MPa bei Hochleistungskeramik.

Präzisionslösungen für die Messung der ultimativen Druckfestigkeit

Mecmesins OmniTest- und MultiTest-dV-Systeme führen Messungen der ultimativen Druckfestigkeit an Materialien durch, die von hochfesten Keramiken und Verbundstoffen bis hin zu Kunststoffen mit geringerer Festigkeit, Verpackungsmaterialien und Sicherheitskomponenten reichen. Hochpräzise Kraftmessdosen und stabile Prüfrahmen gewährleisten eine präzise Erfassung sowohl der Spitzenkraft als auch des vollständigen Spannungs-Dehnungs-Profils, wodurch sich die Systeme sowohl für Forschungslabors als auch für Qualitätskontrollumgebungen eignen.

Übereinstimmung mit internationalen Standards

Mecmesin-Systeme können so konfiguriert werden, dass sie mit anerkannten Testmethoden übereinstimmen, darunter:

• ASTM C1424 - Druckfestigkeit von Hochleistungskeramiken
• ISO 14126 - Druckeigenschaften in der Ebene von faserverstärktem Plastik
• BS EN 12568 - Druckfestigkeit von Zehenkappen von Sicherheitsschuhen
• TAPPI T 826 - Druckfestigkeit von Wellpappe in der Ebene

Dadurch wird sichergestellt, dass die Ergebnisse für die Zertifizierung, die Beschaffung und die Einhaltung von Vorschriften gültig sind.

Modulare Prüfrahmen und Kraftmessdosen

OmniTest- und MultiTest-dV-Rahmen können für eine breite Palette von Kraftkapazitäten und Probengrößen konfiguriert werden. Austauschbare Kraftmessdosen ermöglichen genaue Messungen von Anwendungen mit geringen Kräften bei Verpackungen bis hin zu hochfesten Prüfungen von Keramik und Verbundwerkstoffen.

Software und Auswertung

Mitder VectorPro-Software können Bediener standardisierte Prüfprogramme ausführen, Spannungs-Dehnungs-Kurven in Echtzeit anzeigen und die endgültige Druckfestigkeit automatisch berechnen. Die Prüfdaten können zur Berichterstellung und Rückverfolgbarkeit exportiert werden, was die F&E-Analyse und die Qualitätssicherungsaufzeichnungen unterstützt.

Zur Interpretation der Ergebnisse gehört mehr als nur die Angabe der Spitzenbelastung. Spannungs-Dehnungs-Kurven geben zusätzliche Informationen wie Modul, Streckgrenze und Versagensart. Bei spröden Materialien entspricht der Spitzenwert einem katastrophalen Bruch. Bei duktilen Materialien kann die Kurve ein Plateau aufweisen, da die plastische Verformung vor dem Versagen weitergeht.

Ingenieure vergleichen die gemessene Enddruckfestigkeit mit den Auslegungslasten, um Sicherheitsfaktoren zu ermitteln. Bei der Qualitätskontrolle können erhebliche Abweichungen von den Richtwerten auf Prozessprobleme oder Materialfehler hinweisen.

Wie unterscheidet sich die Druckfestigkeit von der Zugfestigkeit?

DieZugfestigkeit misst den Widerstand gegen Auseinanderziehen, während die Druckfestigkeit den Widerstand gegen Zusammenschieben misst. Materialien verhalten sich unter diesen Belastungsarten oft unterschiedlich.

Müssen alle Materialien gleich vorbereitet werden?

Nein. In den Normen sind Geometrie, Oberflächenbeschaffenheit und Konditionierung je nach Materialtyp festgelegt.

Wie oft sollten die Geräte kalibriert werden?

Eine jährliche Kalibrierung bzw. eine Kalibrierung gemäß den Anforderungen der Qualitätssysteme gewährleistet eine genaue Messung von Kraft und Weg.

Kann eine Maschine sowohl Materialien mit hoher als auch mit niedriger Festigkeit prüfen?

Ja, vorausgesetzt, sie verfügt über die richtige Kraftmesszellenkapazität und die richtigen Steuerungseinstellungen.

Warum ist die Einhaltung von Normen wichtig?

Sie gewährleistet, dass die Prüfergebnisse branchenübergreifend anerkannt werden und für gesetzliche und sicherheitstechnische Anforderungen verwendet werden können.

Für Ingenieure, Qualitätsmanager und Forscher, die Druckfestigkeitstestprogramme entwickeln oder verfeinern, bietet Mecmesin Beratung, Spannzeugdesign, Training und Kalibrierungsdienste. Unser Anwendungsteam hilft bei der Auswahl des richtigen Testrahmens, Spannzeugs und der Software und entwickelt Protokolle, die den relevanten Standards entsprechen.