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Zähigkeit Temperaturabhängigkeit

Temperaturabhängigkeit der Zähigkeit

Die Beschreibung der Temperaturabhängigkeit der Zähigkeit ist eine einsatzrelevante auswertemethodische Problemstellung in der Kunststoffprüfung [1−3]. Um die Einsatzgebiete von Kunststoffen und Verbundwerkstoffen mit polymerer Matrix zu erweitern, werden wachsende Anforderungen bezüglich der Erniedrigung der spröd-zäh-Übergangstemperaturen und der Temperaturstabilität gestellt. Für eine werkstoffwissenschaftliche Interpretation der Temperaturabhängigkeit der Zähigkeit sind Kenngrößen, die durch eine bruchmechanische Prüfung ermittelt wurden, erforderlich. Die starke Temperaturabhängigkeit der Nebenvalenzbindungen von Kunststoffen führt zu einer ausgeprägten Temperaturabhängigkeit der mechanischen Eigenschaften, wie z. B. der Streckgrenze und des E-Moduls [2, 3]. Dieser Einfluss auf die mit verschiedenen Konzepten der Bruchmechanik bestimmten Kennwerte wird aus methodischer Sicht an Hand zweier ausgewählter Polypropylenwerkstoffe (Kurzzeichen: PP) betrachtet. Dabei wird zusätzlich der Einfluss der Beanspruchungsgeschwindigkeit (siehe Dehnrate) dargestellt.

Statische Beanspruchung

Die Temperaturabhängigkeit der Zähigkeit wurde bei quasistatischer Beanspruchung (siehe: Quasistatische Prüfverfahren) an Crack-Tension (CT)-Prüfkörpern für einen unorientierten und einen durch Kaltwalzen hochorientierten PP-Werkstoff betrachtet. Der durch nachträgliches Kaltwalzen erzeugte Orientierungsgrad betrug fx = 80 %.

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Bild 1: Abhängigkeit der Bruchzähigkeit KIcLEBM, KIcE und des Bruchspiegels as von der Temperatur für unorientiertes (B = 10 mm) und hochorientiertes (B = 4 mm) PP (WR = Walzrichtung)

Im Bild 1 werden die mit dem Konzept der linear-elastischen Bruchmechanik (LEBM) und dem Äquivalentenergiekonzept ermittelten Bruchzähigkeiten KIcLEBM und KIcE in Abhängigkeit von der Temperatur dargestellt.

Von Hille [3] wurden umfangreiche Strukturuntersuchungen zur Deutung der grundsätzlichen Zähigkeitserhöhung des hochorientierten im Vergleich zum unorientierten PP vorgelegt, wobei eine Umorientierung der Kristallite (a-Textur zu c-Textur) in Walzrichtung durch röntgenographische Texturmessungen nachgewiesen wurde.

Bei der Beschreibung der Temperaturabhängigkeit der Zähigkeit nach dem LEBM-Konzept wurde experimentell ein Zähigkeitsabfall ermittelt, der auf die Abnahme der Bruchkraft zurückführbar ist. Dieses nicht der Vorstellung der Erhöhung der Deformierbarkeit entsprechende Verhalten wurde bereits frühzeitig in der Literatur [4−7] auch für andere Kunststoffe beschrieben, ohne die Ursachen immer aufklären zu können.

Aus dem linken Teilbild wird aus der Temperaturabhängigkeit des Bruchspiegels as deutlich, dass offenbar auf Grund der vor der Rissspitze ablaufenden energiedissipativen Mechanismen der Gültigkeitsbereich der LEBM überschritten ist. Während die Berücksichtigung von as in KIcLEBM keine höheren Bruchzähigkeitswerte als für T = 193 K liefert, nimmt bei Anwendung des Äquivalentenergiekonzeptes die Bruchzähigkeit mit steigender Temperatur zu.

Aus Bild 1 wird auch deutlich, dass die mit zunehmender Temperatur zu erwartende erhöhte Verformungsfähigkeit des Werkstoffes durch das LEBM-Konzept nicht widergespiegelt werden kann, und erst die Anwendung des Äquivalentenergiekonzeptes wenigstens zu gegenüber tieferen Temperaturen erhöhten Zähigkeitswerten führt, wie für den hochorientierten PP-Werkstoff deutlich wird. Gleichzeitig ist zu erkennen, dass der Bruchspiegel eine das Zähigkeitsverhalten mit zunehmender Temperatur qualitativ beschreibende Kenngröße ist. Unter diesen Aspekten erscheint es notwendig, die bruchmechanische Prüfung mit solchen Konzepten der Bruchmechanik durchzuführen und mit solchen Kenngrößen zu beschreiben, die das Verformungsvermögen des Werkstoffes berücksichtigen.

Bestimmt man für beide Werkstoffe die Temperaturabhängigkeit der J-Werte (siehe: J-Integral-Konzept), so ergibt sich der in Bild 2 gezeigte Zusammenhang. Als Auswertemethode wurde, um die Übereinstimmung der quantitativen Kennwerte mit [3] zu erhalten, die Auswertemethode nach Rice, Paris und Merkle herangezogen, wodurch die methodische Aussage nicht beeinflusst wird. Ermittelt man nach Gl. (1) die Bruchzähigkeitskennwerte KIcJ,

K^{J}_{Ic} = \sqrt{J \cdot E} \! (1)

so wird die Zunahme der Zähigkeitswerte mit zunehmender Temperatur qualitativ richtig beschrieben und die gleichzeitige Abnahme des statischen E-Moduls mit der Temperatur zeigt keine dominanten Auswirkungen.

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Bild 2: Einfluss der Temperatur auf die JIc- und die KIcJ - Werte von zwei PP-Werkstoffen

Die erhöhte Verformungsfähigkeit der beiden Polymerwerkstoffe mit zunehmender Temperatur wird insbesondere durch die kritische Rissöffnung widergegeben, wobei die Bestimmung der kritischen Rissöffnung nach der in [3] durchgeführten Analyse in Anlehnung an [8] mit der Gl. (2)

\delta_{Ic} = \frac{v_c}{1+n(\frac{a+z}{W-a})} \! (2)

(z = Abstand des Weg (COD)-aufnehmers von der Prüfkörperoberfläche) erfolgte. Versucht man wiederum die δIc-Werte in KIcCOD -Werte mit Hilfe von Gl. (3)

K^{COD}_{Ic} = \sqrt{m \cdot R_{e} \cdot \delta_{Ic} \cdot E} \! (3)

umzurechnen, so erhält man mit dem Constraint-Faktor (siehe auch: J-Integral-Konzept) m = 0,7 [3] den im linken Teilbild von Bild 3 gezeigten Zusammenhang.

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Bild 3: Einfluss der Temperatur auf die kritische Rissöffnung δ und die KIcCOD-Kennwerte für zwei PP-Werkstoffe

Die KIcCOD-Werte sinken mit zunehmender Temperatur, da sich das zur Temperaturabhängigkeit des E-Moduls analoge Verhalten der dynamischen Streckgrenze Re offenbar stärker auswirkt als die durch die Registrierung der Kerbaufweitung erfasste erhöhte Verformungsfähigkeit mit zunehmender Temperatur [1].

Der für die JIc - und δIc-Kennwerte in Abhängigkeit von der Temperatur ermittelte Anstieg der Zähigkeit erfolgt im Bereich der Glastemperatur. Die Glastemperatur beträgt für den unorientierten PP-Werkstoff 278 K, und für fx = 80 % ist Tg = 285 K [3].

Die Kontrolle der Geometriekriterien für die bruchmechanischen Konzepte führen zu der Aussage, dass nur für den unorientierten Ausgangzustand mit Sicherheit geometrieunabhängige Werkstoffkennwerte angenommen werden dürfen [1, 3].

Dynamische Beanspruchung

Die Untersuchung der Temperaturabhängigkeit der bruchmechanischen Kennwerte bei dynamischer Beanspruchung erfolgt an SENB-Prüfkörpern, wobei die Art der Prüfkörperentnahme aus den gewalzten Platten im linken Teilbild von Bild 4 angegeben wird.

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Bild 4: Temperaturabhängigkeit der dynamischen Bruchzähigkeiten und des Bruchspiegels für unorientiertes und hochorientiertes PP (B = 4 mm; s/W = 7; a/W ~ 0,45; WR = Walzrichtung)

Die Problematik der Beschreibung des Zähigkeitsverhaltens mit bruchmechanischen Kenngrößen wird bei dynamischer Beanspruchung besonders deutlich.

Die dynamische Bruchzähigkeit nimmt bei Berechnung nach dem LEBM-Konzept im untersuchen Temperaturbereich 123 ≤ T ≤ 293 K ab, wobei auch die Erweiterung der LEBM zur LEBM mit Kleinbereichsfließen durch Berücksichtigung des im rechten Teilbild angegebenen Bruchspiegels keine über den Ausgangswerten bei T = 123 K liegende Bruchzähigkeiten liefert.

Im Gegensatz zur statischen Beanspruchung ist auch durch die Anwendung des Äquivalentenergiekonzeptes keine bessere Beschreibung der Zunahme der Verformungsfähigkeit möglich, wie am Beispiel des hochorientierten PP gezeigt wird. Hier nehmen die KIdE-Werte zwar für T > 273 K zu, erreichen aber die Ausgangswerte für T = 123 K nicht.

Aus dem Vergleich mit Bild 1 erkennt man, dass sowohl die Bruchzähigkeiten als auch das stabile Risswachstum (siehe Rissausbreitung) deutlich niedrige Werte aufweisen.

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Bild 5: Einfluss der Temperatur auf die JId- und die KIdJ-Werte von unorientiertem und hochorientiertem PP

Auf Grund der mit zunehmender Temperatur ansteigenden maximalen Durchbiegung fmax und der Verformungsenergie AG wird, wie bei statischer Beanspruchung, die zunehmende Verformungsfähigkeit des Werkstoffes durch das J-Integral-Konzept der FBM widergegeben (vgl. Bild 5). Während die bei statischer Beanspruchung ermittelten Bruchzähigkeitswerte mit zunehmender Temperatur noch geringfügig ansteigen, ist bei dynamischer Beanspruchung über den gesamten Temperaturbereich eine Zähigkeitsabnahme zu verzeichnen. Die Ursache liegt darin begründet, dass sich die Zunahme des dynamischen E-Moduls Ed mit abnehmender Temperatur bei dem gegenüber statischer Beanspruchung wesentlich geringeren Anstieg in den JId-Werten stärker auswirkt. Die Ed-Werte wurden von Hille [3] im Zug-Dehn-Schwingversuch (siehe: Dynamisch-Mechanische Analyse (DMA) − Zugbeanspruchung) mit einer Prüffrequenz von 1 Hz ermittelt. Die J-Werte und die dynamischen Bruchzähigkeiten sind bei schlagartiger Beanspruchung (siehe auch: Schlagbeanspruchung Kunststoffe) nach der Überprüfung der Geometriekriterien als geometrieunabhängige Werkstoffkennwerte anzusehen.

Ebenso wie die J-Werte sind zur Beschreibung des Zähigkeitsverhaltens die kritischen Rissöffnungen δId geeignet, die primär die erhöhte Verformungsfähigkeit mit wachsender Temperatur angeben und im Vergleich mit den δIc-Werten um etwa eine Größenordnung niedriger liegen. Dies ist in Bild 6 für beide Polymerwerkstoffe besonders deutlich zu sehen.

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Bild 6: Temperaturabhängigkeit der kritischen Rissöffnung δId und der dynamischen Bruchzähigkeit KIdCOD für unorientiertes und hochorientiertes PP

Gleichzeitig wird aus dem linken Teilbild ersichtlich, dass die KIdCOD-Werte nicht geeignet sind, die erhöhte Verformungsfähigkeit zu beschreiben. Die dynamischen Bruchzähigkeiten nehmen im Vergleich mit den bei statischer Beanspruchung ermittelten KIcCOD-Kennwerten wesentlich stärker ab und deuten an, dass die zur Bruchzähigkeit gegensinnige Temperaturabhängigkeit von E-Modul und Streckgrenze sich bei dynamischer Beanspruchung stärker auswirkt.

Aussagefähigkeit bruchmechanischer Kenngrößen

Zusammenfassend ist zu bemerken, dass sich die Zähigkeitseigenschaften in Abhängigkeit von der Temperatur in geeigneter Weise durch das J-Integral-Konzept und das CTOD-Konzept beschreiben lassen, da sie die Erhöhung der Verformungsfähigkeit besonders deutlich widerspiegeln. Weniger günstig ist es, die Bruchzähigkeit nach dem Äquivalentenergiekonzept oder die KIcCOD- bzw. KIcJ-Werte zur Charakterisierung heranziehen, da diese die Modul- und Streckgrenzenabhängigkeit mit der Temperatur enthalten, die eine zum Zähigkeitsverhalten gegensinnige Temperaturabhängigkeit aufweisen [2]. Weitere Beispiele zur Beschreibung der Temperaturabhängigkeit der Zähigkeit mit bruchmechanischen Kennwerten sind in [1] enthalten.


Literaturhinweise

[1] Grellmann, W.: Beurteilung der Zähigkeitseigenschaften von Polymerwerkstoffen durch bruchmechanische Kennwerte. Habilitation (1986), Technische Hochschule Merseburg, Wiss. Zeitschrift TH Merseburg 28 (1986), H. 6, S. 787–788 (Inhaltsverzeichnis, Kurzfassung)
[2] Grellmann, W., Che, M.: Assessment of Temperaturedependent Fracture Behaviour with Different Fracture Mechanics Concepts on Example of Unoriented and Cold-rolled Polypropylene. J. Applied Fracture Polymer Science 66 (1997) 1237−1249
[3] Hille, E.: Untersuchungen zum Bruchverhalten des orientierten isotaktischen Polypropylen. Ph.D. Dissertation, TH Leuna-Merseburg (1983)
[4] Casiraghi, T.: The Fracture Mechanics of Polymers at High Rates. Polymer Engng. and Sci. 18 (1978) 10, 833
[5] Karger-Kocsis, J.; Kiss, L.; Kuleznev, V. N.: Mechanical Loss Peaks of Polypropylene/EPDM Blends in Relation to their Fracture Toughness and Impact Strength. Acta Polymerica 33 (1982) 1,14–19
[6] Savadori, A.; Bramuzzo, M.; Marega, C.: Kunststoffe 73 (1983) 4, 203
[7] Williams, J. G.: Fracture Mechanics of Polymers. Polymer Engng. and Sci. 17 (1977) 144–149
[8] Schwalbe, K. H.: Fortschritt-Berichte, VDI Zeitschrift Reihe 18, Nr. 10 VDI-Verlag, 1981