Untersuchungen zur Ermittlung der Bruchzähigkeit and MDF-Platten = Determination of the fracture toughness of MDF board

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Untersuchungen zur Ermittlung der

P. Niemz, M. Diener, E. P~hler

Holz als Roh- und Werkstoff 55 (1997) 327-33o 9 Springer-Verlag 1997

Bruchz ihigkeit an MDF-Platten

Die Bruchz~higkeit ist eine Materialkenngr6sse, die das Verhalten eines Werkstoffes gegenfiber der Ausbreitung eines Risses kennzeichnet. In dieser Arbeit wurde der Einfluf von Rohdichte und Holzfeuchte auf die Bruchz~i- higkeit von MDF untersucht. Die Prfifung erfolgte nach ASTM E 399 an CT-Proben (Kompaktzugproben) durch Zugbelastung parallel zur Plattenebene. Zur Beurteilung des Bruchverhaltens und des Bruchbildes wurde zusfitzlich die Schallemissionsanalyse und die Rasterelektronenmi- kroskopie eingesetzt. Die Untersuchungen zeigten, daft die Bruchz~ihigkeit mit zunehmender Rohdichte ansteigt. Eine Erh6hung der Holzfeuchte bewirkt eine deutliche Redu- zierung der Bruchz~ihigkeit. Die Messungen der Schall- emission wS.hrend der Rifaufweitung brachten keine eindeutigen Ergebnisse im Hinblick auf das Bruchverhal- ten yon MDF. Die rasterelektronenmikroskopischen Un- tersuchungen machten deutlich, daft die Fasern

iiberwiegend aus dem Faserverbund herausgezogen werden. Reine Holzbriiche, wie sie bei Spanplatte z.T. erfol- gen, waren hier nicht nachweisbar.

Determination of the fracture toughness of MDF hoard

Fracture toughness is a measure for the crack resistance of a material. This paper presents the results of an analysis on the infuence of density and moisture content on fracture toughness of MDF. Fracture toughness was measured using ASTM E 399 with CT-specimens (parallel to the board direction). Acoustic emission analysis and scanning electron microscopy (SEM) were used to assess the kind of fracture and the fracture surface. Higher fracture toughness values were found with increasing density. An in- crease in moisture content caused a decrease in fracture toughness. Acoustic emission analysis showed no clear results regarding the kind of fracture of MDF. According to SEM fibres were nearly torn out of the MDF board. Fractures of fibres, as they occur in particleboard, were not observed.

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Einleitung

Im Rahmen der Einffihrung neuer Berechnungsmethoden fiir die Dimensionierung yon Holzkonstruktionen gewinnt die Bruchz/ihigkeit auch in der Holzforschung zunehmend an Bedeutung.

M. Diener

Institut fiir Metallforschung und Metallurgie CH-8092 Ziirich, Switzerland

P. Niemz, E. PShler

Eidgen6ssische Technische Hochschute Zfirich

Professur fiir Holzwissenschafte ETH-Zentrum HG F 21.5 CH-8092 Ziirich, Switzerland

Gegenstand der Bruchmechanik ist die Entwicklung analytischer Modelle des Bruchvorganges sowie yon Kenngr6flen und Prfifmethoden zur bruchsicheren Ge- staltung yon Werkstoffen und Bauteilen. Unter der Bruchz~ihigkeit versteht man den kritischen Spannungs- intensit~tsfaktor KIc, bei dem Gewaltbruch eintritt. Der Wert yon Kic gibt Aufschluf dar/.iber, welchen Widerstand ein Material der Ausbreitung eines Risses entgegensetzt. Voraussetzung ffir einen gfiltigen Kic-Wert, der eine typische Werkstoffeigenschaft darstellt, ist ein Zustand ebener Dehnung und ein linear-elastisches Verhalten der mit einem scharfen Anrif versehenen Probe. Dies ist weitgehend erffillt, wenn der Durchmesser der plastischen Zone an der Rifspitze klein ist im Verh~iltnis zu den Probenabmessungen.

Zur Bruchz~higkeit von Holz wurden in den letzten Jahren umfangreiche Arbeiten durchgeffihrt (Logemann

1991, Bostr6m 1992, Valentin et al. 1991, Stanzl-Tschegg

et al. 1995, Erhart et al. 1996). Zur Bruchz~ihigkeit von Holzwerkstoffen liegen vergleichsweise wenige Arbeiten vor. Niemz und Sch~idlich (1992) untersuchten den Einflufl struktureller Parameter auf die Bruchz~ihigkeit von Span- platten bei Biegebelastung. Angaben zu MDF fehlen.

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wird der Einflufl der Rohdichte und des Feuchtegehaltes auf die Bruchz~i- higkeit bei Zugbelastung parallel zur Plattenebene be- stimmt. Zur Beurteilung des Bruchverhaltens werden zus~itzlich die Schallemissionsanalyse und die Rasterelek- tronenmikroskopie eingesetzt.

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Versuchsmaterial und -methodik 2.1

Versuchsmaterial

Um den Einfluf der Rohdichte auf die Bruchz/ihigkeit zu untersuchen, wurden industriell gefertigte MDF-Platten unterschiedlicher Nennrohdichten verwendet (superleicht

3 3 3

500 k g / m , leicht 600 k g / m , standard 680 kg/m ). An Platten der Dichtekategorie superleicht wurden zus~itzlich Untersuchungen zum Einfluf des Feuchtegehaltes durchgeffihrt Ffir die Ermittlung des Rohdichteeinflusses wurden je Variante 20 Prfifk6rper, ffir die Ermittlung des Feuchteeinflusses 10 Prfifk6rper der Nennrohdichte 500 kg/m 3 verwendet.

2.2

Versuchsmethodik 2.2.1

Bestimmung der Bruchziihigkeit

Eine Probe des Werkstoffes mit definiertem Anrif wird belastet, bis Rifwachstum eintritt. Dabei werden die Kraft

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P in der Lastlinie und die Riflaufweitung an der Stirnseite der Probe gemessen. Aus d e r S p a n n u n g a, der Rifllange a und einem Geometriefaktor Y = f ( a / W ) e r r e c h n e t sich g e m a f der Gleichung K = a x v ' a x o d e r K - - I X y

Bxv/W

K S p a n n u n g s i n t e n s i t a t [MPa x v/m] a Spannung [MPa] a R i f l a n g e [mm] P Kraft [N] B Dicke [mm] W Probenweite [mm] g Geometriefaktor f(a/W)

die kritische S p a n n u n g s i n t e n s i t a t , die Bruchzahigkeit K~c.

Der genaue V e r s u c h s a b l a u f sowie die Bedingungen sind in der N o r m ASTM E 399 festgelegt (ASTM 1994).

Die in dieser Arbeit durchgeffihrten Messungen richte- ten sich weitgehend nach dieser Vorschrift. Die verwendeten Proben waren sogenannte ' K o m p a k t z u g p r o b e n ' (CT-Proben). Die P r o b e n d i c k e B war aus herstellungs- technischen Griinden 18 ram, die restlichen A b m e s s u n g e n e n t s p r a c h e n den in der ASTM a n g e g e b e n e n Werten. Ab- b i l d u n g 1 zeigt die v e r w e n d e t e n Prfifk6rper. Die Belastung erfolgte parallel zur Plattenebene. In die Prfifk6rper w u r d e zunachst yon der Stirnseite (Schmalflache) mittels Kreis- sage ein 37 m m tiefer Einschnitt eingebracht, d a n a c h w u r d e der Rift durch einen Schnitt mit einer Rasierklinge auf 38 m m erweitert.

Die U n t e r s u c h u n g e n zum E i n f l u f d e r R o h d i c h t e wurden an im N o r m a l k l i m a bei 20 ~ 65% relativer Luftfeuchtigkeit klimatisierten P r o b e n durchgefiihrt.

Zur Ermitttung des Feuchteeinflusses w u r d e n P r o b e n der N e n n r o h d i c h t e 500 k g / m 3 in e i n e m K l i m a s c h r a n k bei 20 ~ u n d einer relativen Luftfeuchtigkeit von 50%, 65%, 85% u n d 95% l d i m a t i s i e r t sowie in e i n e m T r o c k e n s c h r a n k bei 50 ~ bis auf eine Feuchte y o n 3,5% getrocknet. 2.2.2

Untersuchungen zur Schallemission bei der Rissaufweitung Die Schallemissionsmessungen erfolgten n u r an den zum Dichteeinflufl durchgeffihrten Versuchsreihen. Die Schall- emissionssignale w u r d e n m i t einer S c h a l l e m i s s i o n s m e s s - karte SEK 3243 v o m F r a u n h o f e r i n s t i t u t ffir zerst6rungs- freie Prfifverfahren, Dresden, gemessen.

Ffir die V o r v e r s t a r k u n g d e r Signale w u r d e ein Vorver- starker SEV 3202, als Sensor ein p i e z o e l e k t r i s c h e r Auf- n e h m e r mit einer R e s o n a n z f r e q u e n z von 30-300 k H z verwendet. Der A u f n e h m e r w u r d e in Riflnahe m i t Ma- schinenfett an die H o l z p r o b e angekoppelt.

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Versuchsergebnisse

In den Tabellen I u n d 2 sind die Ergebnisse des Roh- dichte- und Holzfeuchtigkeits-Einflusses a u f die Bruchza- higkeit zusammengefaflt.

Mit z u n e h m e n d e r Dichte der Platten steigt die Bruch- zahigkeit e r w a r t u n g s g e m a f an (Bild 2). 62,5

&

W = 5 0 i . . . II m t a = 2 5 1

Bild 1. Abmessungen der verwendeten CT-Proben Fig. 1. Dimensions of the CT-specimens

Tabelle 1. Bruchz~ihigkeit yon MDF unterschiedlicher Rohdichten Table 1. Fracture toughness of MDF with different densities Material stat. Dicke Rohdichte Bruchz/~-

Kennzahl in mm in kg/m 3 higkeit in MPa m 1/2 MDF SL x 18 489 1.2 s 6.1 0.09 MDF L x 18 596 1.56 s 6.6 0.1 MDF STD x 18 684 2.15 s 2.7 0.19

Tabelle 2. Einflufl der Feuchtigkeit auf die Bruchz~higkeit yon MDF (Nennrohdichte im Normalklima: 500 kg/m 3)

Table 2. Influence of moisture content on fracture toughness of MDF (density: 500 kg/m 3)

Gleichgewicht- stat. Bruchz/ihigkeit feuchte in% Kennzahl im MPa m n/2

21.4 x 0.36 s 0.03 14.4 x 0.68 s 0.06 10.2 x 1.26 s 0.08 7.7 x 1.33 s 0.38 3.5 x 1.29 s 0.06 2,5 ~ 2,0 E 13.. 1,5 :.E 1,0 0,5 0 1,2 ::::!d:::::::::;:::::::::

'iiiiiii!iiiiiiiiiiiiiiiiii!

:~!ii!~!!~!]!]]]]]]i]i] ]] 489 1,56 :::::::::::::::::::::::: :::::::::::::::::::::::: [:!:i:]:? ?]:?i:i:i:!:~:~:] vx+:+x+x+:+:~ ::::::::::::::::::::::::::: 597 Rohdichte (kg/m 3) 2,15 ~:.:.::.:.:.:,:,:+:.:,:.:.1 :::::::::::::::::::::::::: iiii!iiiii!i!!iiii ... :::::::::::::5::::::::::::::: !;;iii!ii!!i!ili;;)}!iil)ii;] .::::::::: :5:::: :5: I ~:+:+:.:.:.:.;.:.:.:.:.: iiiiiiiiiiiii!iiiiii!i!iiiiiil _{:::::::::::::::::::::::::::::} 684

Bild 2. Einflufl der Rohdichte auf die Bruchz/ihigkeit yon MDF Fig. 2. Influence of the density on fracture toughness of MDF

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Eine Erh6hung der Holzfeuchtigkeit bewirkt einen deutlichen Abfall der Bruchz~ihigkeit. Dieser Abfall ist bei einer Holzfeuchtigkeit oberhalb 10% stark ausgepdigt. Der Feuchteeinflufl spiegelt sich auch in den Riflaufweitungs- diagrammen wieder (Bild 3a-c). Die Abbildungen zeigen typische Diagramme ffir in 50%, 85% und 90% relativer Luftfeuchtigkeit gelagerte Proben. Mit zunehmender Holzfeuchte steigt die Ril~aufweitung deutlich an, die Proportionaliditsgrenze sinkt.

Die Schallemission beginnt unmittelbar bei Belastung der Proben und steigt mit zunehmender Riflaufweitung an (Bild 4a-c). Eine eindeutige Differenzierung konnte zwi- schen den einzelnen Dichtestufen allerdings nicht festge-

0.63 0.56 " k 0.49 ~- 0.42 v 0.35 -~ 0.28 0,21 0.14 0.07 ) I I I i I L I J 0.23 0.45 0.68 0.90 1.13 1.35 1.58 1.80 2.02 2.25 a COD (ram) 0.54 0.48 0.42 ~, 0.36 ..x: v 0.30 ~ 0.24 0.18 0.12 0.06 I ] / I I I t I I 0.43 0.85 1.28 1.70 2.13 2.55 2.98 3.40 3.82 4.25 b COD (mrn) 0.36 0.32 ~ 0.28 ~0.24 v 0.20 -- 0.16 0.12 0.08 0.04 0.;3 1.25 1.;8 2.;0 3.13 3.75 4.37 5.00 5.;2 6.25 C COD (ram)

Bild 3a-c. Typische Riflaufweitungsdiagramme yon MDF bei Variation der Feuchtigkeit (Rohdichte: 489 kg/m3); a) 5o% rel. Luftfeuchtigkeit; b) 85% rel. Luftfeuchtigkeit c) 95% rel. Luft- feuchtigkeit

Fig. 3a-c. Typical plots of load vs. crack displacement of MDF with different moisture contents; a) 50% rel. humidity; b) 85% reL humidity; c) 95% rel. humidity

stellt werden. Die Streuung der Einzetwerte ist infolge der ausgepdigten Individualit~it der Einzelproben zu hoch.

Beim Bruchvorgang selbst kommt es offensichtlich zum Herausziehen der Fasern aus dem Faserverbund (Bitd 5 und 6). Die Abbildung 5 zeigt die Aufnahme eines solchen Risses, Abbildung 6 die Bruchfl/iche. Ein typischer, inter- partikul/irer Holzbruch, wie er bei Spanplatten zu beob- achten ist, ist bei den untersuchten MDF-Platten nicht nachweisbar. Die Vielzahl der auftretenden Schallsignale ist offensichtlich auf das Herausziehen der Fasern aus dem Faserverbund, zwischenpartikul~ire Reibungen sowie Fa-

(1.5811)7 1.50- 1.25- .~ 1.00- ~- 0.75- ~- o . 5 o 0.25 File: nr339 (o) 0 6.9389e-14 50 a (o) (1.5811)! 1.50- 1.25 1.00 E 0.75- 100 150 200 250 300 350 Kraft (mkN) (38o.7126) File: nr234 ~- 0.50- 0.25- (0) 0 - 6.9389e-14 50 b (o) (1.5811) 1.50 1.25 v 1.00 Q.. E 0.75 o.5o 0.25 100 150 200 250 300 350 400 Kraft (mkN) (4oo,2441) File: nr120

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(o) 0 6.9389e-14 50 100 150 200 250 300 350 400 (0) Kraft (mkN) (41o.62o3)

Bild 4a-c. Schallemissionsignale w/ihrend der Belastung (Peak- Amplitude tiber der Kraft); a) Rohdichte 489 kg/m3; b) Rohdichte 596 kg/m3; c) Rohdichte 684 kg/m 3

Fig. 4a-c. Acoustic emission signals during the test (Peak am-

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plitude vs strength) a) density 489 kg/m ; b) density 596 kg/m ; c) density 684 kg/m 3

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Bild 5. REM-Aufnahme eines Risses von MDF (Foto: T. Zim- mermann, EMPA Diibendorf)

Fig. 5. Fracture of MDF examined by SEM (photo made by T. Zimmermann, EMPA Diibendorf)

serbriiche zurfickzufiihren. Eine exakte Z u o r d n u n g der Schallsignale zu deren Quellen ist aber nicht mSglich.

4 Literatur

ASTM E 399 (1994) Standard test method for plain-strain fracture toughness of metallic materals, Annual Book of ASTM Standards, American Society for Testing Materials, Philadelphia

Bostr6m L (1992) Method for determination of softening beha- vior of wood and the applicability of a nonlinear fracture mechanics model. Dissertation, Lund/Schweden

Erhart RIA, Stanzl-Tschegg SE, Tschegg EK (1996) Fracture properties of particleboard-Influence of specimen geometry. Proceedings of the 1996 International Conference on Wood Me- chanics. FMPA-Otto-Graf-Institut, Stuttgart'

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Bild 6. REM- Aufnahme einer Bruchfl~iche yon MDF (Foto: E. Biiucker, TU Dresden)

Fig. 6. Fracture surface of MDF examined by SEM (photo made by E. B~iucker, TU Dresden)

Logemann M (1991) Absch~itzung der Tragfiihigkeit yon Bauteilen mit Ausklinkungen und Durchbrfichen. VDI-Verlag, Reihe 4 Bauingenieurwesen, Nr. lO2. Dfisseldorf

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