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Zugversuch Überlagerung Kriechen Relaxation

Spannungs-Dehnungs-Verhalten ohne Überlagerungen

Das Kennwertniveau von Kunststoffen hängt wesentlich von der Prüfgeschwindigkeit und der -temperatur ab. Diese viskoelastischen Eigenschaften der Kunststoffe zeigen sich in den Kriech- und Relaxationseffekten dieser Werkstoffe, wodurch bei Kunststoffbauteilen die Form- und Maßhaltigkeit oder bei kraftschlüssigen Konstruktionen die Haltbarkeit der Verbindung beeinflusst wird. Im Zugversuch an Kunststoffen überlagern sich diese Effekte der zügigen Beanspruchung dieses Versuchs. Nimmt man einen hypothetischen Kunststoff an, der keine Kriech- oder Relaxationsneigung zeigt, dann würde im Zugversuch das Spannungs-Dehnungs-Verhalten entsprechend Bild 1 registriert, wobei hier nur die Zugfestigkeit σm und die Bruchdehnung εb zum Vergleich des Werkstoffverhaltens benutzt werden.

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Bild 1: Spannungs-Dehnungs-Verhalten im Zugversuch ohne Kriech- und Relaxationseinflüsse

Einflüsse durch Kriechen und Relaxation

Der Einfluss des sich dem Zugversuch überlagerndem Kriechverhaltens ist in Bild 2a zu erkennen. Infolge des Kriechens während des Zugversuchs vergrößert sich die Bruchdehnung im Vergleich zum Werkstoff im Bild 1, da die Dehnung sich aus εb und der zeitabhängigen Dehnung ε(t) zusammensetzt.

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Bild 2: Spannungs-Dehnungs-Verhalten im Zugversuch mit Kriech- (a) und Relaxationseinflüssen (b)

Es wird hieraus ersichtlich, dass dieser Effekt umso stärker ist, je langsamer die Prüfgeschwindigkeit im Zugversuch ist. Überlagert sich dem Zugversuch ein reines Relaxationsverhalten, dann ergibt sich das Spannungs-Dehnungs-Verhalten in Bild 2b. Infolge des gleichzeitig im Zugversuch auftretenden Spannungsabbau infolge der Relaxation verringert sich die Zugfestigkeit um den zeitabhängigen Spannungsanteil σ(t), wobei die Bruchdehnung selbst nicht beeinflusst wird. Im realen Zugversuch treten beide Anteile simultan auf, so dass die Zugfestigkeit und die Bruchdehnung mit zunehmender Beanspruchungszeit bzw. verringerter Dehnrate beide deutlich Veränderungen (Bild 3) zeigen.

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Bild 3: Spannungs-Dehnungs-Verhalten im Zugversuch

Einfluss der Prüfgeschwindigkeit und Prüftemperatur

Generell lassen sich folgende Aussagen für den Einfluss der Prüfbedingungen treffen [1]:

1. Mit der Erhöhung der Prüftemperatur (Bild 4a) ändert sich das Verhalten von dominant spröd zu einem duktilen Werkstoffverhalten.
2. Bei höheren Prüfgeschwindigkeiten bzw. Dehnraten verändert sich das Spannungs-Dehnungs-Verhalten von überwiegend duktil zu einem spröden Verhalten (Bild 4b). Beide Prüfeinflüsse wirken gegenläufig, was beim Zeit-Temperatur-Verschiebungs-Prinzip (ZTV) gezielt genutzt wird.

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Bild 4: Einfluss von Prüfgeschwindigkeit und Prüftemperatur im Zugversuch

Ein praktisches Beispiel für Zugversuche mit variierenden Prüfgeschwindigkeiten an einem kurzglasfaserverstärkten Polyamid 6-Werkstoff zeigt das Bild 5. Die Traversengeschwindigkeiten entsprechen dabei zum Teil den angegebenen Werten der DIN EN ISO 527-2 [2]. Zu erkennen ist, dass sich in diesem vergleichsweise kleinen Geschwindigkeitsintervall die Zugfestigkeiten verdoppeln und die Bruchdehnung um ca. 25 % abnimmt.

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Bild 5: Einfluss der Prüfgeschwindigkeit im Zugversuch an PA6 mit 30 M.-% GF

Quasistatische mechanische Versuche, wie der Zug-, Biege- oder Druckversuch als auch die Härtemessung, stellen bei Kunststoffen immer eine Überlagerung der zügigen Beanspruchung mit Relaxations- und Retardationseffekten dar, wobei der absolute Anteil durch die Prüfbedingungen beeinflusst wird.


Literaturhinweise

[1] Bierögel, C.: Zugversuch an Kunststoffen. In: Grellmann, W., Seidler, S. (Hrsg.): Kunststoffprüfung. Carl Hanser Verlag, München (2015) 3. Auflage, S. 117–137 (ISBN 978-3-446-44350-1; siehe AMK-Büchersammlung unter A 18)
[2] DIN EN ISO 527-2 (2012-06): Kunststoffe – Bestimmung der Zugeigenschaften – Teil 2: Prüfbedingen für Form- und Extrusionsmassen