Langsames Risswachstum

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Langsames Risswachstum (slow crack growth) in Kunststoffen

Inhaltsverzeichnis

Ursachen des langsamen Risswachstums

Das langsame Risswachstum (Slow Crack Growth, SCG) findet in Kunststoffen, z. B. in Polyethylen (Kurzzeichen: PE)-Rohren als Folge von Inhomogenitäten, wie Oberflächenkratzer und/oder Kerben (siehe auch Kerbempfindlichkeit) beim Vorhandensein einer relativ geringen Spannungskonzentration über einen langen Zeitraum hinweg statt [1]. Die vorhandene mechanische Spannung resultiert in einem Rohrsystem aus der Kombination von Innendruck, herstellungsbedingten Eigenspannungen und äußeren Lastspannungen (z. B. durch Montage, Erdmassen und Autoverkehr). Da das langsame Risswachstum durch eine Vielzahl von Faktoren beeinflusst wird, findet sich in der Literatur eine große Zahl an Studien und Untersuchungen, die das SCG-Phänomen beschreiben und einen Anstieg des Widerstandes gegen langsames Risswachstum in Polyethylen anstreben [2‒12].

Der Mechanismus des langsamen Risswachstums

Der SCG-Mechanismus ist durch die Bereiche der Rissinitiierung und der Rissausbreitung sowie durch einen sich anschließenden Sprödbruch (siehe Brucharten) gekennzeichnet. Die Rissinitiierung findet unter Bildung einer Deformationszone (siehe: Bruchprozesszone) an der Riss­spitze mit Bildung von Mikroporen, Fibrillen und Crazes statt. Für das Stadium der Rissausbreitung sind das Verstrecken und eine damit verbundene Schwächung der Fibrillen und die Ausbreitung von Crazes charakteristisch. Nach Lustiger [4] sowie Huang und Brown [5, 6] sind für diesen Prozess die Tie-Moleküle von Bedeutung. Dieses Tie-Molekül-Modell kann bei PE-Werkstoffen mit hoher Dichte und mit ausgeprägter bimodaler Molmassen-Verteilung die überragende Eigen­schaftskombination auf Grund ihrer niedrigen Konzentration nicht erklären [8]. Innerhalb der hoch orientierten „Craze“-Fibrillen können die Mikro-Fibrillen aneinander abgleiten [8]. Eine entscheidende Rolle spielt dabei die „Entanglement“-Dichte [10, 11] sowie Co-Kristallisationseffekte zwischen niedermolekularen Homo- und hochmolekularen Copolymer-Spezies [12]. Die Bildung des Netzwerks aus Mikrofibrillen wird durch die Tie-Moleküle kontrolliert.

Neben den molekularen und strukturellen Gegebenheiten wird SCG auch durch äußere Einflussfaktoren wie die Umgebungstemperatur, die Beanspruchungsgeschwindigkeit, mediale und/oder geometrische Bedingungen beeinflusst (siehe: sprödbruchfördernde Faktoren). Dadurch sind die experimentellen Bedingungen der Nachweismethoden bei der Charakterisierung des Widerstandes gegen SCG von besonderer Bedeutung.

Bedeutung des langsamen Risswachstums

Die derzeitigen, auf der Grundlage der Nachweismethoden für langsames Risswachstum getroffenen, Lebensdauerabschätzungen für die, in einem Erfahrungszeitraum von 50 Jahren entstanden, hochentwickelten PE 100-Werkstoffe liegen bei ca. 100 Jahren [2].

Die Anwendung von Polyethylen (PE) als Rohrwerkstoff setzt ein hohes Maß an Sicherheit, Zuverlässigkeit und Qualität voraus und ist seit den 1950er Jahren etabliert. Die langsame Ausbreitung von Rissen, z. B. ausgelöst durch Kratzer an der Oberfläche oder Kerben ist dabei die häufigste Ursache für das Versagen (siehe: Bruch) von Rohrsystemen aus PE-Werkstoffen. Sie ist ein entscheidender Faktor für die Beurteilung der Nutzungsdauer und der Wirtschaftlichkeit dieser Kunststoffbauteile. Die Weiter­entwicklung von wirtschaftlicheren und umweltverträglicheren Installationstechniken, wie die sandbettlose oder grabenlose Verlegung von Trinkwasserrohren, erforderte die Entwicklung immer höher belastbarere und zähere Werkstoffe mit zuverlässig nachweisbarer Beständigkeit gegen langsames Risswachstum.

Die heute verwendeten PE-Rohrwerkstoffe sind Werkstoffe der dritten Generation, die der Festigkeitsklasse PE 100 zugeordnet werden. Der Unterschied zur zweiten Generation (PE 80) ist die bimodale Molmasseverteilung, die eine Optimierung der physikalischen und mechanischen Eigenschaften und somit auch eine Erhöhung des Widerstandes gegenüber langsamem Risswachstum zur Folge hatte.

Der Full-notched Creep Test (FNCT)

Eine anerkannte Nachweismethode für das langsame Risswachstum ist der Full-Notched Creep Test (FNCT) [13]. Nachteilig bei der Anwendung dieses Prüfverfahrens ist jedoch, dass die Versuchsdurchführung für einen PE 100-Werkstoff mit einem immensen Zeitaufwand von bis zu 8000 Stunden bzw. 333 Tagen verbunden ist. Aus diesem Grund wird versucht, die Zähigkeit verschiedener PE-Werkstoffe durch Kurzeitversuche zu charakterisieren und mögliche Korrelationen zum FNCT bzw. zu den Ergebnissen des beschleunigten, accelerated (acc.) FNCT zu finden. Durch den im Vergleich zu konventionellen Zähigkeitsprüfmethoden erheblich erhöhten Informationsgehalt, ist für dieses Ziel die Anwendung der Methoden der bruchmechanischen Werkstoffdiagnostik zur Bewertung des Widerstandes gegenüber Rissinitiierung und Rissausbreitung besonders geeignet [14].

Von Langer u. a. werden in [15] experimentelle bruchmechanische Ergebnisse an drei ausgewählten Rohrwerkstoffen dargestellt.

Literaturhinweise

[1] Langer, B., Schmidt, A., Enderle, H.-F., Grellmann, W.: Risswachstum in PE-Rohrwerkstoffen – Deformations- und Schädigungsmechanismen. In: Grellmann, W. (Hrsg.): Neue Entwicklungen in der Werkstoffprüfung – Herausforderungen an die Kennwertermittlung. Tagung „Werkstoffprüfung 2011“, 1. und 2. Dezember 2011, Berlin, Tagungsband S. 179‒184 (ISBN 978-3-9814516-1-0; siehe AMK-Büchersammlung unter A 13)
[2] Hessel, J.: 100 Jahre Nutzungsdauer von Rohren aus Polyethylen, Rückblick und Perspektiven. 3R international (46) Heft 4, (2007) 242−246
[3] Michler, G. H.: Kunststoff-Mikromechanik, Morphologie, Deformations- und Bruchmechanismen. Carl Hanser Verlag, München Wien (1992)
[4] Lustiger, A., Markham, R. L.: Importance of Tie-molecules in Preventing Polyethylene Fracture under Long-term Loading Conditions. Polymer 24 (1983) 1647−1654
[5] Huang, Y. L., Brown, N.: The Effect of Molecular Weight on Slow Crack Growth in Linear Polyethylene Homopolymers. Journal Material Science 23 (1988) 3648–3655
[6] Brown, N., Huang, Y. L.: Dependence of Slow Crack Growth in Polyethylene on Butylbranch Density: Morphology and Theory. Journal Polymer Science B 29 (1991) 129–137
[7] Lilge, D., Enderle, H. F.: Lifetime Determining Processes in HDPE: From the Molecular Level to Macroscopic Properties. International Conference on Deformation, Yield and Fracture of Polymers (2009) Rolduc Abbey, Kerkrade, Proceedings 75‒78
[8] Men, Y. F., Rieger, J., Lindner, P., Enderle, H. F., Lilge, D., Kristen, M. O., Mihan, S., Jiang, S.: Structural Changes and Chain Radius of Gyration in Cold-Drawn Polyethylene after Annealing: Small- and Wide-Angle X-ray Scattering and Small-Angle Neutron Scattering Studies“. J. Phys. Chem. B 109, (2005) 16650
[9] Lindner, P., Zemb, T. (Eds.): Neutrons, X-rays and Light: Scattering Methods Applied to Soft Condensed Matter, North-Holland (2002): J. Rieger: Use of Scattering Methods in Chemical Industry SAXS and SANS from Fibers and Films.
[10] Seguela, R.: Critical Review of Molecular Topology of Semi-Crystalline Polymers: The Origin and Assessment of Intercrystalline Tie Molecules and Chain Entanglements. Journal Polymer Science Part B: Polymer Physics 43 (2005) 1729–1748
[11] Men, Y. F., Rieger, J., Strobl, G.: Role of the Entangled Amorphous Network in Tensile Deformation of Semicrystalline Polymers. Physical Review Letters 91 (2003) 095502
[12] Krishnaswamy, R. K., Yang, Q., Fernandez-Bellester, L., Kornfield J.: Effect of the Distribution of Short-Chain Branches on Crystallization, Kinetics and Mechanical Properties of High-Density Polyethylene. Macromolecules 41 (2008) 1693–1704
[13] ISO 16770 (2004-02): Plastics−Determination of Environmental Stress Cracking (ESC) of Polyethylene. Full-Notch Creep Test (FNCT)
[14] Grellmann, W., Seidler, S. (Hrsg.): Kunststoffprüfung. Carl Hanser Verlag, München (2015) 3. Auflage, (ISBN 978-3-446-44350-1; siehe AMK-Büchersammlung unter A 18)
[15] Langer, B., Berthold, A., Grellmann, W., Enderle, H. F.: Mechanische Kurzzeitprüfung zur Bewertung des Verhaltens von PE-Rohrwerkstoffen beim langsamen Risswachstum. Materialprüfung 54 (2012) 9, S. 580‒585
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