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Kriechverhalten Zeitstanddruckversuch

Allgemeines

Das Kriechverhalten von Kunststoffen kann unter Zug-, Biege- und Druckbeanspruchung oder mit der instrumentierten Härtemessung ermittelt werden. Bei der experimentellen Bestimmung des Kriech- bzw. Langzeitverhaltens von Lagerwerkstoffen, Dichtungsmaterialien als auch Bau- und Wärmedämmstoffe wird der Zeitstanddruckversuch eingesetzt [1], obwohl keine zur DIN EN ISO 899-1 und -2 [2, 3] vergleichbare Norm existiert.

Ermittlung der zeitabhängigen Stauchung

Die wesentliche messtechnische Voraussetzung besteht in der Ermittlung der zeitabhängigen Stauchung am Prüfkörper, die mit mechanischen Extensometern (Clip-on Gauges) oder optoelektronischen Dehnmesssystemen gemessen werden kann (Bild 1). In Abhängigkeit vom untersuchten Werkstoff und der verwendeten Werk- oder Produktnorm kann auch die Traversenwegmessung angewandt werden, wobei aber die Maschinennachgiebigkeit der genutzten Konfiguration bekannt sein sollte.

K Zeitstanddruck 1.jpg

Bild 1: Schematische Darstellung der Erfassung der zeitabhängigen Dehnung von Kunststoffen im Zeitstanddruckversuch mittels Zeitstandprüfstand

Durchführung des Zeitstanddruckversuches

Für die technische Realisierung der notwendigen Belastungsstufen können Zeitstandprüfstände mit variablen Massestücken oder Universalprüfmaschinen genutzt werden, wobei für die Einhaltung konstanter Prüfbedingungen Temperierkammern angeschlossen sein sollten. Unter ökonomischen und zeitlichen Aspekten sollten dabei minimal 10 Einzelprüfstände verfügbar sein, die entweder mit veränderbarer Belastung bei gleicher Temperatur oder mit identischer Beanspruchungsstufe aber variierenden Temperaturen arbeiten. Im Fall der Nutzung von Universalprüfmaschinen müssen die Versuche unter Kraftregelung durchgeführt werden, da sonst die gleichzeitig stattfindende Spannungsrelaxation die Prüfbedingungen, speziell die Lasthöhe, verändern würde. Zur Bestimmung der Stauchung zu festgelegten Zeitpunkten muss jedes Prüfsystem mit mechanischen oder besser mit berührungslosen optoelektronischen Extensometern (Videoextensometer oder Laserextensometer) ausgerüstet werden, die über einen online Rechner im Multiplex-Betrieb abgefragt werden.

Definition der zeitabhängigen Druckkriechdehnung

Für die Prüfungen werden zumeist prismatische Prüfkörper entsprechend der ISO 7616 [5] oder der DIN EN 826 [6] verwendet, wobei der Schlankheitsgrad zu beachten ist, um das Ausknicken der Prüfkörper zu verhindern. Die Zeitstanddruckversuche werden üblicherweise in Anlehnung an die Normen DIN EN ISO 899-1 und -2 [2, 3] durchgeführt. Nach der stoßfreien Lastaufbringung wird dann kontinuierlich die Prüfkörperstauchung bzw. die Dehnung bis zum Bruch oder einem vorgegebenen Zeitwert registriert. Die aufgebrachte Lastspannung ist entsprechend Gl. (1) über die applizierte Kraft oder die äquivalente Masse definiert. Die zeitabhängige Kriechdehnung berechnet sich nach Gl. (2).

\sigma _{t0}=\frac{F}{A_{0}} (1)
\varepsilon _{t}=\varepsilon (t) = \frac{\Delta L_{0}(t)}{L_{0}}100 \ \% (2)

Ableitung der Kennwerte des Zeitstanddruckversuches

Die aufgezeichneten Druckkriechkurven (Zeit-Dehnlinien) werden entsprechend der Auswerteprozedur nach [2, 3] in das Zeitstandschaublid, das isochrone-Druckspannungs-Stauchungs-Diagramm und die Druckkriechmodul-Kurven umgewandelt. Aus diesen Kurven lassen sich dann in Analogie zum Zeitstandzugversuch die benötigten Kennwerte ermitteln. Der Druckkriechmodul wird nach Gl. (3) berechnet.

E_{c}(t)=\frac{\sigma}{\varepsilon(t)} (3)

K Zeitstanddruck 2.jpg

Bild 2: Zeitstanddruckverhalten von Polytetrafluorethylen (Kurzzeichen PTFE) für unterschiedliche Beanspruchungen [1]: Druckkriechkurven a), isochrones Druckspannungs-Stauchungs-Diagramm b), Zeitstandschaubild c) und Druckkriechmodul-Kurven d)

Ein Beispiel für Polytetrafluorethylen (Kurzzeichen PTFE) für eine Beanspruchungsdauer von bis zu 104 h ist in dem Bild 2 dargestellt. Weitere Informationen zu grafischen und tabellarischen Druckkriechdaten sind in [12] enthalten. Spezielle Anwendungen des Druckkriechversuchs stellen die Untersuchungen an Wärmedämmstoffen der Bauindustrie [3–7] und von Dämpferwerkstoffen aus Gummi und Elastomeren [8, 9] dar. Zur Vorhersage der Lebensdauer von Rohren und Behältern aus Kunststoffen werden Innendruck-Kriechversuche nach [10, 11] durchgeführt.


Literaturhinweise

[1] Höninger, H.: Statisches Langzeitverhalten. In: Grellmann, W., Seidler, S. (Hrsg.): Kunststoffprüfung. Carl Hanser Verlag, München (2015) 3. Auflage, S. 182–192 (ISBN 978-3-446-44350-1; siehe AMK-Büchersammlung unter A 18)
[2] DIN EN ISO 899-1 (2017-07): Kunststoffe – Bestimmung des Kriechverhaltens – Teil 1: Zeitstand-Zugversuch (Entwurf)
[3] DIN EN ISO 899-2 (2015-06): Kunststoffe – Bestimmung des Kriechverhaltens – Teil 2: Zeitstand-Biegeversuch
[4] DIN EN 1606 (2013-05): Wärmedämmstoffe für das Bauwesen – Bestimmung des Langzeit-Kriechverhaltens bei Druckbeanspruchung
[5] ISO 7616 (1986-08): Harte Schaumstoffe – Bestimmung des Kriechens unter einer spezifizierten Drucklast und Temperatur
[6] DIN EN 826 (2013-05): Wärmedämmstoffe für das Bauwesen – Bestimmung des Verhaltens bei Druckbeanspruchung
[7] DIN 53425 (1965-09): Prüfung von harten Schaumstoffen – Zeitstand-Druckversuch in der Wärme (zurückgezogen)
[8] ISO 8013 (2012-10): Elastomere – Bestimmung des Kriechens bei Druck- oder Schubbeanspruchung
[9] DIN 53522-1 (1979-01): Prüfung von Kautschuk und Elastomeren – Dauer-Knickversuch, Begriffe, Prüfgeräte, Probenherstellung (zurückgezogen)
[10] DIN 16887 (1990-07): Prüfung von Rohren aus thermoplastischen Kunststoffen – Bestimmung des Zeitstand-Innendruckverhaltens
[11] DIN 53759 (1975-02): Prüfung von Kunststoff-Fertigteilen – Zeitstand-Innendruckversuch an Hohlkörpern (zurückgezogen)
[12] Bierögel, C., Grellmann, W.: Long-term Loading Test. In: Grellmann, W., Seidler, S. (Hrsg.): Mechanical and Thermomechanical Properties of Polymers. Landoldt Börnstein. Volume VIII/6A2, Springer Verlag, Berlin (2014) S.286−331