Scherung unter Spannung

Die Scherprüfung auf Zug ist ein mechanisches Verfahren zur Messung der Widerstandsfähigkeit eines Materials oder einer Klebeverbindung gegenüber Kräften, die parallel zur Klebefläche wirken. Im Gegensatz zur reinen Zugprüfung, bei der die Kraft senkrecht zur Probe aufgebracht wird, wird bei der Scherprüfung auf Zug die Last so aufgebracht, dass eine Scherspannung in der Ebene entsteht. Dies simuliert reale Bedingungen, bei denen geklebte oder verbundene Materialien Gleitkräften ausgesetzt sind.

Diese Methode wird in der Luft- und Raumfahrt, im Automobilbau, in der Elektronik, in der Verpackungsindustrie und im Bauwesen häufig eingesetzt, um die Leistung von Klebstoffen, Beschichtungen, Verbundwerkstoffen und mechanischen Verbindungen zu prüfen. Durch die Nachbildung von Betriebsbelastungen können Ingenieure und Qualitätsteams die Eignung von Materialien und Klebeverfahren bestimmen und so Zuverlässigkeit, Sicherheit und die Einhaltung von Industrienormen gewährleisten.

Verfahren der Einzelüberlappungs-Scherprüfung

Bei einer Einzelüberlappungs-Scherprüfung werden zwei Proben mit einem Klebstoff in einer überlappenden Anordnung geklebt. Die Verbindung wird in eine Zugprüfmaschine eingespannt und die Kraft wird bis zum Versagen aufgebracht. Bei diesem Aufbau treten sowohl Scher- als auch leichte Biegespannungen aufgrund des Versatzes im Belastungspfad auf, aber es ist nach wie vor eine der am weitesten akzeptierten und genormten Methoden zur Bewertung von Klebverbindungen.

Das Verfahren umfasst die Vorbereitung der Proben in den erforderlichen Abmessungen und mit der erforderlichen Oberflächenbeschaffenheit, das Auftragen des Klebstoffs in gleichmäßiger Dicke, das Aushärten unter kontrollierten Bedingungen, das Befestigen der beiden Enden in den Klemmen und das Aufbringen einer konstanten Zugkraft bis zum Versagen. Die maximal aufgezeichnete Kraft wird zur Bestimmung der Scherfestigkeit verwendet. Unter ASTM D1002-Bedingungen kann eine Aluminium-Aluminium-Verbindung typischerweise Scherfestigkeiten von 15 bis 25 MPa erreichen.

Verfahren für die Scherprüfung mit doppelter Überlappung

Bei der Doppelüberlappungs-Scher-Methode werden drei geklebte Abschnitte verwendet, wobei zwei äußere Fügeteile mit jeder Seite eines mittleren Teils verklebt werden. Diese Anordnung reduziert Biegeeffekte und sorgt für eine gleichmäßigere Scherspannungsverteilung über die Klebstoffschicht.

Zu den typischen Schritten gehören die Vorbereitung von dreilagigen geklebten Proben gemäß der Prüfnorm, die Positionierung in symmetrischen Klemmen und die Aufbringung einer Zuglast mit einer bestimmten Rate bis zum Versagen. Diese Methode ist besonders nützlich bei der Verklebung von Verbundwerkstoffen in der Luft- und Raumfahrt, wo sie aufgrund der gleichmäßigeren Spannungsverteilung eine bis zu 20 % höhere scheinbare Festigkeit als die Prüfung einer einzelnen Überlappung nachweisen kann.

Die Prüfung der Klebstoffhaftung durch Scherung auf Zug ist wichtig, um zu verstehen, wie sich Klebstoffe unter Belastung verhalten. Zu den Faktoren, die die Klebeleistung beeinflussen, gehören die Klebstoffchemie, die Oberflächenvorbereitung, die Aushärtungsmethode, das Fugendesign und die Umweltbedingungen.

Zu den industriellen Anwendungen gehören das Kleben von Verbundwerkstoffen in der Luft- und Raumfahrt, die Montage von Karosserieteilen in der Automobilbranche, die Befestigung von Leiterplatten und Werkzeugen in der Elektronikindustrie sowie Strukturklebstoffe im Bauwesen. In der Automobilindustrie werden beispielsweise Überlappungsschertests häufig zum Vergleich von strukturellen Klebstoffformulierungen für die Verklebung von Türrahmen verwendet, um ein gleichbleibendes Crashverhalten zu gewährleisten.

Die Scherbruchanalyse zeigt, wie eine Verbindung versagt und gibt Aufschluss über die Leistungsfähigkeit:

• Kohäsives Versagen: Bruch innerhalb der Klebstoffschicht, was auf eine gute Adhäsion, aber eine begrenzte innere Klebkraft hinweist.
• Klebstoffversagen: Ablösung an der Grenzfläche zwischen Klebstoff und Substrat, oft aufgrund unzureichender Vorbereitung oder schlechter Kompatibilität.
• Versagen im gemischten Modus: Eine Kombination aus kohäsivem und adhäsivem Versagen.

Last-Dehnungs-Kurven aus dem Test können auch zur Bewertung der Steifigkeit, Duktilität und der Spitzenlast beim Versagen verwendet werden.

Während Zugversuche den Widerstand eines Materials gegen Dehnung messen, messen Scherversuche den Widerstand gegen das Gleiten zwischen Schichten oder über eine Verbindung. Beide ergänzen sich. Bei Verbundwerkstoffen wird in Zugversuchen die Festigkeit der Fasern und der Matrix geprüft, während in Scherversuchen die Grenzfläche zwischen ihnen bewertet wird.

Andere verwandte Methoden sind:

• V-Kerbschienen-Scherprüfung für das Scherverhalten von Verbundwerkstoffen in der Ebene.
• Zug-Scher-Prüfung für Polymermatrix-Verbundwerkstoffe zur Bewertung des Verhaltens von Klebstoff und Matrix unter kombinierter Zug- und Scherbelastung.

Die Einhaltung anerkannter Standards gewährleistet Konsistenz und Vergleichbarkeit der Ergebnisse. Gängige Beispiele sind:

• ASTM D3166 - Scherfestigkeit von Klebstoffen unter Spannung.
• ASTM F2255-05 - Scherprüfung von Materialien für medizinische Geräte.
• BS EN ISO 4587 - Überlappende Scherprüfung von starr-steifen Klebeverbindungen.
• ASTM D1002 - Überlappende Scherprüfung für Metall-Metall-Verbindungen.

Jede Norm definiert Probenvorbereitung, Abmessungen, Belastungsraten und Berichtsanforderungen. Die Auswahl hängt vom Material, der Klebemethode und der Anwendung ab.

Akkurate Schertests unter Spannung erfordern hochwertige und präzise Ausrüstung:

• Mecmesin OmniTest und MultiTest-dV - universelle Testrahmen für die kontrollierte Anwendung von Zugkräften über einen weiten Bereich von Kapazitäten.
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• Kalibrierte Kraftmessdosen - erhältlich in Bereichen von wenigen Newton bis zu mehreren Kilonewton, die genaue Messungen für alle Probentypen gewährleisten.
• VectorPro-Software - für automatische Steuerung, Echtzeit-Diagramme, Kraft-Weg-Analyse und kundenspezifische Berichte.

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