Kriechverhalten Ermittlung

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Kriechverhalten Ermittlung

Grundlagen

Das Kriechverhalten von Kunststoffen kann unter Zug-, Biege- und Druckbeanspruchung oder mit der instrumentierten Härtemessung ermittelt werden. Voraussetzung ist die Messung der zeitabhängigen Deformation am Prüfkörper, die je nach experimenteller Versuchstechnik die Dehnung, die Randfaserdehnung oder die Stauchung sowie die Eindringtiefe sein kann. Die Belastung des Prüfkörpers, ausgedrückt durch die konstante Spannung σ₀, sollte variierbar für verschiedene Laststufen σ_0i sein.

Prüfsysteme für die Ermittlung des Kriechverhaltens

Zur Realisierung einzelner Belastungsstufen können Zeitstandprüfstände oder einfache Universalprüfmaschinen genutzt werden, wobei diese zur Sicherung konstanter Prüfbedingungen mit Temperierkammern ausgestattet sein sollten. Unter ökonomischen und zeitlichen Gesichtspunkten sollten mindestens 10 Einzelprüfstände verfügbar sein, die entweder mit variabler Belastung bei identischer Temperatur oder mit gleichem Beanspruchung­slevel aber gestaffelten Temperaturen betrieben werden. Im Fall der Nutzung von Prüfmaschinen müssen die Versuche unter Kraftregelung durchgeführt werden, da ansonsten die gleichzeitig auftretende Spannungsrelaxation die Prüfbedingungen verändern würde. Bei Zeitstandprüfständen wird die Lastspannung mittels Massestücken realisiert, wobei hier eine Auffangvorrichtung erforderlich ist. Zur Bestimmung der Verformung zu festgelegten Zeitpunkten muss jedes Prüfsystem mit mechanischen oder optoelektronischen Extensometern ausgerüstet werden, die über einen angeschlossenen Rechner im Multiplex-Betrieb abgefragt werden (Bild 1). Moderne Prüfsoftware kann zudem zu Beginn der Experimente und kurz vor dem Bruch des Prüfkörpers die Deformationsdaten in kürzeren Intervallen (variable Sampling Rate) abfragen, so dass in diesen Versuchsstadien eine höhere Datendichte gewährleistet wird.

Bild 1:

Schematische Darstellung der Erfassung der zeitabhängigen Dehnung von Kunststoffen im Zeitstandzugversuch

Auswertung von Kriechexperimenten

Da der Auswertealgorithmus unabhängig von der Art der Deformation (Dehnung, Randfaserdehnung, Stauchung oder Eindringtiefe) identisch ist, wird hier nur die allgemeine Vorgehensweise erläutert. Basis der Auswertung von Kriechexperimenten ist die Registrierung der Dehnung bis zu einem festgelegten Zeitpunkt oder zum Bruch des Prüfkörpers, was entscheidend durch die Prüflast und -temperatur beeinflusst wird. Da für sicherheitsrelevante Konstruktionen die verwendeten Werkstoffe teilweise bis 10⁵ h oder mehr belastet werden, sind die Diagramme der Kriechkurven bzw. Zeit-Dehnlinien im halblogarithmischen Maßstab aufgetragen (Bild 2a).

Bild 2:

Schematische Darstellung der Kriechkurven a) und der isochronen Spannungs-Dehnungs-Diagramme b) von Kunststoffen im Zeitstandzugversuch [1]

Zu erkennen ist, dass bei konstanter Temperatur und zunehmenden Spannungsniveau die Zeit-Dehnlinien zu höheren Werten verschoben werden. Diese Kriechkurven bilden die Grundlage zur Ermittlung der Zeitstandschaubilder und der isochronen Spannungs-Dehnungs-Diagramme [1]. Im Fall linear-viskoelastischer Beanspruchungen haben die Kriechkurven einen linearen Verlauf. Werden zu festgelegten Zeitpunkten senkrechte Schnittlinien in Bild 2a eingefügt (schwarze Punkte in Bild 2a), dann kann man für diese Zeit die Wertepaare für σ und ε(t) ermitteln. Diese so bestimmten σ – ε -Kurven entsprechen dann einer jeweiligen Beanspruchungsdauer und stellen die isochronen Spannungs-Dehnungs-Diagramme dar (Bild 2b). Die Darstellung wird teilweise durch das Diagramm des Kurzzeit-Zugversuches z. B. bei einer Dehnrate von 1 %/min ergänzt (gestricheltes Diagramm in Bild 2b).

Kriechkurven und Zeitstandschaubilder

Durch horizontale Schnitte in dem Zeit-Dehnlinien-Feld (Bild 3a) bei definierten Dehnungswerten erhält man die Zeitstandschaubilder s(t), die aus den einzelnen Zeit-Spannungs-Linien für die jeweilige Dehnung bestehen (Bild 3b).

Bild 3:

Schema von Kriechkurven a) und der Zeitstandschaubilder b) im Zeitstandzugversuch [1]

Bei langer Versuchszeit mit niedriger Spannung wird demzufolge die identische Dehnung wie bei kurzer Zeit und hoher Spannung erreicht, wobei im Extremfall die Zeit-Spannungs-Linie der Zeit-Bruch-Linie entspricht. Für konstruktive Belange und zur Beschreibung des zeitabhängigen Werkstoffverhaltens bei niedrigen Beanspruchungen wird bei Kunststoffen oft der Kriechmodul E_c (t) (Bild 4) genutzt.

Bild 4:

Schematische Darstellung von Kriechmodul-Kurven im Zeitstandzugversuch [1]

Dieser Langzeitmodul ergibt sich als Quotient aus der jeweiligen Spannung und der zeitabhängigen Deformation, wobei das Bild 4 die Abnahme des Moduls mit der Belastungshöhe und Beanspruchungsdauer zeigt. Die Werte in Bild 4, die mit einem Punkt (●) versehen sind, entsprechen dem Kurzzeit-Modul aus dem Zugversuch. Grundsätzlich sind die Kriechversuche so zu konzipieren, dass die Prüfkörper im Normalfall eine Versuchszeit von mindestens 10³ h ohne Bruch überstehen. Als Richtwerte werden dabei 30 bis 50 % der Kurzzeit-Zugfestigkeit empfohlen, wobei unterhalb dieses Spannungsniveaus vorzugsweise 6 mindestens aber 4 verschiedene Spannungsstufen festzulegen sind [1]. Mit dieser Verfahrensweise erhöht sich der erreichbar Informationsgehalt von Kriechversuchen, falls gleichzeitig eine konsequente Versuchsauswertung entsprechend der dargestellten funktionellen Zusammenhänge vorgenommen wird. Zur Extrapolation von Kriechdaten in anwendungstechnisch interessanten Zeitbereichen von ≥ 10 Jahren sollten experimentell abgesicherte Kriechkurven für Messzeiten ≥ 10⁴ h vorliegen. Solche Kriechexperimente liegen zumeist nur für Raumtemperatur bzw. für Normklimabedingungen und ausgewählte Kunststoffe vor, womit die Vielfalt technischer Varianten von verstärkten und gefüllten Kunststoffen schon aufgrund von Matrixmodifikationen nicht abgedeckt werden kann. Unter Normklimaten können Extrapolationszeiten von bis zu zwei Zehnerdekaden realisiert werden, wobei Alterung­seffekte und erhöhte Temperaturen sowie zusätzlich mediale Beanspruchungen als problematisch zu bewerten sind.

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)