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Dehnrate Applikationen

siehe auch: Dehnrate Grundlagen

Allgemeines

Bei vielen Applikationen z. B. im Automobilbau, in der Luft- und Raumfahrttechnik und im Sportbereich können im Werkstoff / im Bauteil hohe Dehnraten bis zu 500 s-1 auftreten [1–3]. Einen Überblick über die Prüfmethoden zur Ermittlung der Werkstoffeigenschaften unter den jeweiligen Beanspruchungsbedingungen mit den realisierbaren Dehnraten gibt Tabelle 1. Der SPLIT-HOPKINSON Pressure Bar (SHPB) Test nimmt, seit der Vorstellung des Prinzips im Jahr 1914, bei der Ermittlung des Werkstoffverhaltens unter Dehnraten > 100 s-1 aufgrund seiner vielfältigen Anwendung und ständigen Weiterentwicklung insbesondere auch durch die Realisierbarkeit unterschiedlicher Beanspruchungsarten eine Vorrangstellung ein [4].

Tabelle 1: Prüfmethoden zur Werkstoffbeschreibung bei hohen Dehnraten [3, 5, 6]
Nominale Dehnrate (s-1) Beanspruchungsart Prüftechnik
<0,1 Druck Elektromechanische Universalprüfmaschine
0,1–100 Servohydraulische Prüfmaschine
0,1–500 Cam plastometer, Fallversuch
200–104 Split-HOPKINSON Bar (Druckbeanspruchung)
104–105 Ballistik, Projektile
<0,1 Zug Elektromechanische Universalprüfmaschine
0,1–100 (300) Servohydraulische Prüfmaschine
100–104 Split-HOPKINSON Bar (Zugbeanspruchung) Sprengstoffbeschleunigung:
104 Platte (flyer plate)
>105 Ring (expanding ring)
<0,1 Scherung Elektromechanische Universalprüfmaschine
0,1–100 (300) Servohydraulische Prüfmaschine
10–103 Stoßversuch (Torsionsanordnung) (torsional impact)
100–104 Split-HOPKINSON Bar (Scheranordnung)
103–104 Interlaminarer Schertest eines doppelt gekerbten Prüfkörpers (double-notch shear test)
104–107 Pressure-shear plate impact

Im Bild sind neben den Dehnraten auch die charakteristischen Versuchszeiten sowie die in Metallen und Kunststoffen (am Beispiel von isotaktischen und schlagzähmodifizierten Polypropylen [7]) ablaufenden Deformationsprozesse dargestellt. Mit modernen servohydraulischen Prüfmaschinen kann ein Dehnratenbereich von 10-3 bis 10+3 abgedeckt werden [8], was im Bild grau hervorgehoben ist.

Dehnrate 1.jpg

Bild: Praktisch relevante, charakteristische Versuchszeiten, Dehnraten sowie Deformationsmechanismen [9]

Bei Dehnraten größer als 1 s-1 treten Schwingungen auf, die den Informationsgehalt der Spannungs-Dehnungs-Kurven mindern und die Auswertung komplizierter machen. Diese Schwingungen sind auf die schlagartige Einleitung der Energie in den Prüfkörper zurückzuführen und werden maßgeblich von der gesamten Prüfmaschine sowie vom Dämpfungsverhalten des Werkstoffes beeinflusst [3, 10, 11] und sind in Hochgeschwindigkeitszugversuchen nicht vermeidbar.

Reflektierte Spannungswelle

Diese Schwingungen sind auf die schlagartige Einleitung der Energie in den Prüfkörper zurückzuführen und werden maßgeblich von der gesamten Prüfmaschine sowie vom Dämpfungsverhalten des Werkstoffes beeinflusst [3, 10, 11]. In [3] wird als Kriterium der Auswertbarkeit von aufgezeichneten Kurven im mittleren Dehnratenbereich von 1–100 s-1 die Anzahl der elastisch reflektierten Schwingungen N (Gl. 1 und 2) definiert.

N\,=\,\frac{\varepsilon_y \cdot c}{v_T} (1)

mit

εy Streckdehnung
c Geschwindigkeit der elastischen Spannungswelle
vT Traversengeschwindigkeit
c\,=\,\sqrt{ \frac{E_t}{\rho}} (2)

mit

ET Elastizitätsmodul
\rho Dichte

Die minimale Anzahl von Schwingungen für eine gleichmäßige Spannungsverteilung ist in [12] mit 10 und in Anlehnung an die Auswertung von SHPB-Versuchen (Split-HOPKINSON pressure bar) in [3] mit drei vollständigen Schwingungen angegeben. Bei einer genügend hohen Anzahl kann von einer gleichmäßigen Spannungsverteilung im Prüfkörper ausgegangen werden, wobei dieser Zustand nicht vergleichbar mit der homogenen Spannungsverteilung im quasistatischen Zugversuch ist.

E-Modul von Kunststoffen bei hohen Dehnraten

Der Trend im Automobilbau geht zu Kunststoffbauteilen, die stoßartigen, hohen dynamischen Beanspruchungen ausgesetzt sind, wie z. B. Airbags, Stoßstangen, Instrumententafeln usw.
Zur Simulation des Werkstoffverhaltens bei hochdynamischer Beanspruchung werden Kennwerte benötigt, die eine Vorhersage des Crashverhaltens ermöglichen. Mit einer prüftechnisch relativ einfach zu bestimmenden Kenngröße, dem Elastizitätsmodul, beschäftigt sich die Dissertation von M. Keuerleber [13].

Zur Bestimmung des Elastizitätsmoduls wurden am Beispiel von Polypropylen uniaxiale Zugversuche im Geschwindigkeitsbereich von 0,0001 m/s bis 8 m/s und im Temperaturbereich von -10 °C bis 40 °C durchgeführt.


Literaturhinweise

[1] Bardenheier, R.: Dynamic Impact Testing – VHS High Rate Testing Systems. Instron Ltd., High Wycombe, UK (2005)
[2] Thoma, K.: Measurement of Mechanical Parameters in the Range of High and Highest Strain Rates – Examples of Practical Application for a Wide Spectrum of Materials. Report 17/02. Fraunhofer-Institut für Kurzzeitdynamic – Ernst-Mach-Institut EMI Freiburg (2002)
[3] Xiao, X.: Dynamic Tensile Testing of Plastic Materials. Polymer Testing 27 (2008) 164–178
[4] Gray-III, G. T., Classic Split-Hopkinson Pressure Bar Testing. In: ASM Handbook, Vol. 8, Mechanical Testing and Evaluation. ASM International (2000) 462–476.
[5] Bardenheier, R., Rogers, G.: Dynamic Impact Testing. Instron Ltd., High Wycombe, UK (2003)
[6] Hamouda, A. M. S., Hashmi, M. S. J.: Testing of Composite Materials at High Rates of Strain: Advances and Challenges. Journal of Materials Processing Technology 77 (1998) 327–336
[7] Gensler, R., Plummer, C. J. G., Grein, C., Kausch, H.-H.: Influence of the Loading Rate on the Fracture Resistance of Isotactic Polypropylene and Impact Modified Isotactic Polypropylene. Polymer 41 (2000) 3809–3819
[8] Bardenheier, R., Borsutzki, M.: Anforderungen an Hochgeschwindigkeitsprüfsysteme zur Ermittlung von Kennwerten an Blechwerkstoffen. In: Buchholz, O.W., Geisler, S. (Hrsg.): Herausforderung durch den industriellen Fortschritt – Tagungsband Werkstoffprüfung (2003) 78–87 (ISBN: 3-514-00703-9; siehe AMK-Büchersammlung unter M 11)
[9] GWV Fachverlage GmbH, Wiesbaden (2010)
[10] Beguelin, P., Kausch, H. H.: The Effect of the Loading Rate on the Fracture Toughness of Poly(methyl methacrylate), Polyacetal, Polyetheretherketone and modified PVC. Journal Materials Science 29 (1994) 91–98
[11] Karger-Kocsis, J., Benevolenski, O. I., Moskala, E. J.: Toward Understanding the Stress Oscillation Phenomenom in Polymers due to Tensile Impact Loading. Journal Materials Science 36 (2001) 3365–3371
[12] Society of Automotive Engineers Japan (SAE J) 2749 (2008): High Strain Rate Testing of Polymers
[13] Keuerleber, M.: Bestimmung des Elastizitätsmoduls von Kunststoffen bei hohen Dehnraten am Beispiel von PP. Dissertation Universität Stuttgart, Institut für Kunststoffprüfung und Kunststoffkunde, Stuttgart, August (2006) (siehe AMK-Büchersammlung unter C 35)