Stretchzone

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Stretchzone

Inhaltsverzeichnis

Definition

Bei duktilem Werkstoffverhalten wird die Rissausbreitung durch einen stabilen Rissfortschritt geprägt, dessen Beginn durch einen kritischen δ-Wert festgelegt wird. Dieser Wert ergibt sich aus einer Abstumpfung (siehe auch: Rissöffnung, IKBV mit SEA und In-situ-Zugversuch im ESEM mit SEA) der ursprünglichen Rissspitze infolge plastischer Verformung und wird auf der Bruchfläche als Stretchzone im Rasterelektronenmikroskop nachgewiesen.

Datei:Definition_kritische_rissoeffnung.jpg

Bild 1: Definition der kritischen Rissöffnung und Ausbildung der Stretchzone vor der Rissspitze
a) Verformung der Rissspitze bei Abstumpfung; 1 vor Belastung; 2 nach Belastung; 3 ursprüngliche Rissspitze; 4 Stretchzone (δ kritische Rissöffnung; SZH Strechzonenhöhe)
b) Profil der Bruchfläche; 1 Rissspitze; 2 Restbruchfläche (SZW Stretchzonenweite)
c) REM-Aufnahme einer Stretchzone von PP (CT-Prüfkörper)

Beispiel 1: Polypropylen/Glasfaser-Verbunde (PP/GF-Verbunde) [1]

Es wurde bei einem Polypropylen/Glasfaser (Kurzzeichen: PP/GF)-Verbund mit einem Glasfaseranteil von \varphiV = 0,13 unter dynamischer Beanspruchung (siehe: Schlagbeanspruchung Kunststoffe) im instrumentierten Kerbschlagbiegeversuch die Stretchzone anhand von REM-Aufnahmen ermittelt (Bild 2). Die Prüfgeschwindigkeit vH betrug 1 m/s, das Verhältnis von Ausgangsrisslänge zu Prüfkörperbreite a/W betrug 0,2 und das Verhältnis Stützweite zu Prüfkörperbreite s/W betrug 4.

Bild 2: Ausbildung der Stretchzone bei einem PP/GF-Verbund

Die experimentelle Vorgehensweise bestand im schrittweisen Ausmessen (Bild 3) der Stretchzonenhöhe (SZH) z. B. aller 5\cdot10-3mm und der anschließenden Bildung des arithmetischen Mittelwertes:

\overline{X} = \frac1n \sum_{v=1}^n x_v (1)

Bild 3: Verteilung der SZH über die Prüfkörperbreite W

So konnte für den PP/GF-Verbund mit einem Glasfasergehalt von \varphiV = 0,13 eine SZH von 15 µm ermittelt werden. Bei höheren Glasfasergehalten tritt keine geschlossene Stretchzone auf.

Beispiel 2: Ternäres Polypropylen/Ethylen-Propylen-Copolymer/Polyethylen-Blend (PP/EPR/PE-Blend) [2]

Die rasterelektronenmikroskopischen Untersuchungen der Bruchflächen des ternären PP/EPR/PE-Blends (RAHECO®) zeigten, dass jeweils am Ende des Rissfortschrittsgebietes die Ausbildung einer Stretchzone erfolgt (Bild 4). Die mikroskopisch ausgemessene SZH variierte geringfügig um den Wert SZH = 30 µm, zeigte aber z. B. keine systematische Abhängigkeit vom RAHECO®-Anteil.

Bild 4: REM-Aufnahmen der Bruchflächenmorphologie des Werkstoffes mit 90 M.-% RAHECO® aus dem R-Kurven-Versuch bei 23 °C: (a) Bruchflächenübersicht, (b) Bruchspiegel Δa mit Stretchzone: Ansicht in Kerbrichtung, Probe um 45° gekippt, (c) Stretchzonenhöhe, (d) Fibrillierung der Matrixstege zwischen den Teilchen/Löchern im Bereich der stabilen Rissverlängerung Δa

Unter der Voraussetzung der Proportionalität von SZH und SZW und unter Berücksichtigung des allgemeinen Zusammenhanges zwischen der SZH und Rissöffnungsverschiebung δ = 2 SZH kann davon ausgegangen werden, dass bei konstanter SZH die Risszähigkeit bei der eigentlichen physikalischen Rissinitiierung δi nicht signifikant durch die Morphologieänderung im Werkstoff beeinflusst wird. Diese Annahme wird u. a. dadurch bestätigt, dass die Risswiderstandskurven im Bereich kleiner Δa, also im Bereich der Rissinitiierung, keine signifikanten Unterschiede ausweisen.

Beispiel 3: Polyamid 6/Kohlenstoff-Verbunde (PA 6/CF) [3]

Die physikalische Charakterisierung des Initiierungsverhaltens erfolgte unter Einbeziehung der für diesen Verbund ermittelten SZH (Bild 5).

Bild 5: Physikalische Bestimmung des Rissinitiierungswertes eines PA 6/CF-Verbundes mit φV = 0,19 unter Verwendung des Zusammenhangs zwischen Rissöffnungsverschiebung und SZH im Blunting-Bereich

Das Bild 5 illustriert am Beispiel von PA 6 die Entstehung der SZH durch die Rissöffnung des Ausgangsrisses. Nur durch die Einbeziehung der mikrofraktographisch quantifizierten Stretchzone in die bruchmechanische Charakterisierung stabiler Bruchprozesse kann der durch makroskopische und mikroskopische Werkstoffeigenschaften bestimmte Blunting-Prozess in Kunststoffen einer weiteren Aufklärung zugeführt werden. Der Bezug auf δR-Kurven zur Charakterisierung des Rissinitiierungsverhaltens ist dabei von Vorteil, da der Zusammenhang zwischen bruchmechanischem Experiment und Bruchflächenanalyse dargestellt wird.


Literaturhinweise

[1] Seidler, S., Grellmann, W.: Zähigkeit von teilchengefüllten und kurzfaserverstärkten Polymerwerkstoffen. Fortschr.-Berichte VDI-Reihe 18: Mechanik/Bruchmechanik Nr. 92, VDI Verlag, Düsseldorf (1991), (ISBN 3-18-149218-3; siehe AMK-Büchersammlung unter A 4)
[2] Cäsar, T., Seidler, S., Grellmann, W.: Bruchmechanische Zähigkeitsbewertung des Rißinitiierungs- und Rißausbreitungsverhaltens von Ethylen-Propylen-Random-Copolymerisaten. In: Grellmann, W., Seidler, S. (Hrsg.), Deformation und Bruchverhalten von Kunststoffen. Springer Verlag, Berlin Heidelberg (1998) S. 271–284, (ISBN 978-3-540-63671-7; siehe AMK-Büchersammlung unter A 6)
[3] Langer, B.: Bruchmechanische Bewertung von Polyamid-Werkstoffen, Dissertation (1998), Martin-Luther-Universität Halle Wittenberg, Logos Verlag, Berlin, (ISBN 978-3897220638; siehe AMK-Büchersammlung unter B 1-5)
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