Vierpunkt-Biegeversuch

Er vertritt

Der Vierpunktbiegeversuch ist eine der wichtigsten mechanischen Methoden zur Untersuchung des Verhaltens von Materialien unter Biegebelastung. Er wird in verschiedenen Branchen, darunter der Luft- und Raumfahrt, der Automobilindustrie, dem Bauwesen, der Keramik-, Verbundwerkstoff- und Polymerindustrie, häufig zur Bestimmung der Biegefestigkeit und des Elastizitätsmoduls von Materialien eingesetzt.

Der Vierpunktbiegeversuch ist wie der Dreipunktversuch eine der gängigsten Methoden zur Messung der mechanischen Eigenschaften von Proben. Der Hauptunterschied zwischen den beiden Tests besteht in der Verteilung der Last auf die Probe und der Gleichmäßigkeit der Spannung über ihren Querschnitt.

Definition des Vierpunkt-Biegetests

Beim Vierpunkt-Biegeversuch wird die Probe als Balken positioniert, der einfach auf zwei Stützen ruht, und dann wird die Last über zwei Rollen oder Lastgriffe aufgebracht, die im gleichen Abstand vom Mittelpunkt der Probe angeordnet sind.

Im Gegensatz zum Dreipunktversuch, bei dem die Belastung auf einen Punkt konzentriert wird, wird hier die Belastung an zwei Punkten aufgebracht und ein relativ großer Bereich der Probe wird einer gleichmäßigen Biegebeanspruchung ausgesetzt.

Zweck des Vierpunkt-Biegeversuchs

Biegefestigkeit : Die maximale Spannung, der ein Material standhalten kann, bevor es versagt.
Bestimmen Sie den Biegemodul : Die anfängliche Steigung der Last-Durchbiegungs-Kurve gibt die Steifigkeit des Materials in Bezug auf die Biegedehnung an.
Untersuchung des Bruchverhaltens : Bestimmung der Bruchart (spröde, duktil oder duktil) in verschiedenen Materialien.
Materialvergleich : Vergleichen Sie verschiedene technische Materialien wie Metalle, Keramik, Verbundwerkstoffe und Polymere hinsichtlich ihrer Biegefestigkeit.

Vorteile des Vierpunkt-Biegetests

Im Vergleich zum Dreipunktversuch ist die Spannungsverteilung im mittleren Bereich der Probe gleichmäßig.
Bei heterogenen Materialien wie Verbundwerkstoffen sind die Eigenschaften verschiedener Punkte nicht gleich, daher ist die Genauigkeit höher.
Risse und Schäden können großflächiger behoben werden.
Geeignet für spröde Materialien (z. B. Keramik), bei denen Dreipunktbiegung keine genauen Ergebnisse liefert.

Nachteile des Vierpunkt-Biegeversuchs

Die Ausrüstung und der Aufbau sind komplexer als beim Dreipunkttest.
Es wird eine größere und genauere Stichprobe benötigt .
Die Kosten sind höher, da mehr Ausrüstung und Zeit erforderlich sind.

So führen Sie einen Vier-Punkte-Flexibilitätstest durch

1. Probenvorbereitung

Die Form der Probe ist normalerweise rechteckig oder zylindrisch .
Die Abmessungen der Probe werden entsprechend der Prüfnorm (z. B. ASTM oder ISO) bestimmt.
Die Oberfläche der Probe muss glatt und rissfrei sein.

2. Installieren Sie die Probe in das Gerät.

Die Proben werden auf zwei Trägern platziert.
Der Abstand zwischen den Stützen (Spannweite) muss genau gemessen werden.
Die Ladebacken sind in gleichmäßigen Abständen vom Mittelpunkt angeordnet.

3. Herunterladen

Die Belastung wird schrittweise und kontrolliert aufgebracht.
Belastungs- und Durchbiegungsdaten werden durch Sensoren erfasst.

4. Datenerfassung und -analyse

Zeichnen Sie ein Last- und Durchbiegungsdiagramm.
Biegefestigkeit und Biegemodul wurden mithilfe von Standardformeln berechnet.

ASME BPVC 2023 Abschnitt VIII 1

Zusammenhänge und Formeln für Vierpunktbiegeversuche

Biegekraft

Für rechteckige Proben:

$σf=3FL4bd2\sigma_f = \frac{3FL}{4bd^2}$

Wo:

$F$ : Bruchlast (Newton)
$L$ : Abstand zwischen zwei Stützen (mm)
$b$ : Probenbreite (mm )
$d$ : Probendicke (mm)

Biegekoeffizient

$Ef=L3m4bd3E_f = \frac{L^3 m}{4bd^3}$

Wo:

$m$ : Anfangssteigung der Last-Durchbiegungs-Kurve (N/mm)

Normen für den Vierpunkt-Biegeversuch

Für diesen Test gibt es mehrere akzeptable Kriterien:

ASTM D6272 – Für Polymere und Verbundwerkstoffe.
ASTM C1161 – Für Hochleistungskeramik.
ISO 14125 – Für Faserverbundwerkstoffe.
ASTM E855 – Für Metalle und Legierungen.

Die Auswahl des geeigneten Standards hängt von der Art des Materials und der beabsichtigten Anwendung ab.

Vergleich zwischen Vierpunktbiegeversuch und Dreipunktbiegeversuch

Besonderheit	Dreipunktbiegung	Übung „Vier-Punkt-Liegestütz“
So laden Sie herunter	Mittelpunkt	2 Ladepunkte
Regelmäßige Belastungszone	Ein wenig	Größer und breiter
Genauigkeit in heterogenen Materialien	reduziert	höher
Teamkomplexität	Einfacher	komplexere
Es lohnt sich	weniger	zusätzlich

Industrielle Anwendung des Vierpunkt-Biegetests

Herstellung von Verbundwerkstoffen : Prüfung der Festigkeit von Kohlenstoff- und Glasfasern in Flugzeug- und Automobilteilen.
Keramische Industrie : Bestimmung der Zugfestigkeit von technischer Keramik.
Automobilindustrie : Prüfung von Polymer- und Metallkomponenten unter Biegebelastung.
Bauingenieurwesen : Untersuchung der Biegefestigkeit von Stahlbeton und Baumaterialien.
Luft- und Raumfahrt : Bewertung der Fähigkeit von Leichtbauwerkstoffen, dynamischen Belastungen standzuhalten.

Einfaches Zahlenbeispiel

Angenommen, ein Vierpunkt-Biegeversuch wird an einer rechteckigen Probe mit den folgenden Eigenschaften durchgeführt:

Nutlänge (L) = 100 mm
Probenbreite (b) = 10 mm
Probendicke (d) = 5 mm
Bruchlast (F) = 200 N

Berechnen:

$sigma_f = 3×200×100 4×10×25 =$

In diesem Beispiel beträgt die Biegefestigkeit des Materials 60 MPa.

Probleme und Einschränkungen

Sehr empfindlich gegenüber dem Zustand der Probenoberfläche: Das Vorhandensein von Rissen oder Rauheiten auf der Oberfläche kann die Ergebnisse verfälschen.
Dies hängt von der Präzision der Maschineneinstellungen ab : Der Abstand zwischen den Backen und der Halterung muss sehr genau sein.
Im Vergleich zu einigen einfachen Tests teuer und zeitaufwendig .

Endlich

Der Vierpunktbiegeversuch ist eine wichtige Methode zur Untersuchung der mechanischen Eigenschaften von Werkstoffen unter Biegebelastung. Diese Methode eignet sich besonders für heterogene spröde Werkstoffe wie Keramik und Verbundwerkstoffe, da sie eine gleichmäßigere Spannungsverteilung im mittleren Bereich der Probe liefert und so genauere Ergebnisse ermöglicht.

Mit diesem Test werden die Biegefestigkeit, der Biegemodul und die Versagensart eines Materials ermittelt . Dadurch können präzisere Entscheidungen bei der Auswahl geeigneter Materialien für kritische Branchen wie die Luft- und Raumfahrt, die Automobilindustrie, das Baugewerbe und die Energiebranche getroffen werden.