Bruchverhalten: Unterschied zwischen den Versionen

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Bruchverhalten, Kunststoffe

Allgemeines

Polymere Werkstoffe zeigen je nach Typ und Beanspruchungsbedingungen ein sehr unterschiedliches Verhalten beim Bruch.

Einige teilkristalline Polymere wie Polyamid (Kurzzeichen: PA), Polyethylen (Kurzzeichen: PE) und Polypropylen (Kurzzeichen: PP) können bis zu einem Dehnungsverhältnis von $\lambda$ = 20 kaltgezogen werden, wobei sich eine stabile Einschnürung entlang des Prüfkörpers bewegt.

Viele amorphe Kunststoffe (z. B. Polystyrol (Kurzzeichen: PS) oder Polymethylmethacrylat (Kurzzeichen: PMMA) sind bei Zugbeanspruchung spröd, verformen sich aber bei Druckspannungen oder reiner Scherbeanspruchung (siehe auch: Schubmodul) plastisch. Ebenso zeigen Epoxidharze (Kurzzeichen: EP) in Kompression einen hohen Grad an Duktilität. Typische Vertreter eines duktilen und zähen Bruchverhaltens sind z. B. PP, PE oder auch PA.

Typische Mechanismen der plastischen Deformation

Die plastische Deformation tritt bei duktilen Polymeren in zwei Formen auf:

Die Scherdeformation (shear yielding), d. h. die Schubspannungsfließzonenbildung, die eine starke Formänderung ohne Volumenänderung hervorruft. Scherdeformationen zeigen viele teilkristalline Polymere bei Zugbeanspruchung, Raumtemperatur (RT) und Prüfung an Luft (Bild) (siehe: Scherbandbildung).

Das Crazing (Normalspannungsfließzonenbildung), d. h. der Bildung von Hohlräumen. Dieser Prozess verursacht eine starke Dichteänderung und tritt bei Blends und praktisch allen glasartigen Polymeren auf. Bei geringen Beanspruchungen findet man häufig einzelne isolierte Crazes (Bild 1).

Bild 1:

Schematische Darstellung von Deformationserscheinung in amorphen Kunststoffen

(a) Crazes (siehe: Crazing, Craze-Typen und Vielfach-Craze-Bildung)
(b) Scherband (siehe: Scherbandbildung)

Das Auftreten eines oder beider Mechanismen hängt von folgenden Bedingungen ab:

Struktur des Makromoleküls
Kristallisationsgrade und Sphärolithgröße (siehe: Sphärolithische Struktur)
Deformationsgrad
Vorhandensein einer zweiten Phase sowie der Testbedingungen
Temperatur
Verformungsgeschwindigkeit (siehe auch: Dehnrate Grundlagen)
dreiachsiger Spannungszustand (siehe auch: Mehrachsiger Spannungszustand)
Umgebungsbedingungen

Bruchverhalten, Kurzfaserverbunde

Einsatz und Anwendungsgrenzen von kurzfaserverstärkten Verbundwerkstoffen sind von der Forderung nach möglichst präziser Vorausbestimmung der zu erwartenden Verbundeigenschaft mitbestimmt. Die Vielfalt der Einflussfaktoren lässt eine umfassende Theorie der Mechanik polymerer Verbundwerkstoffe auch künftig nicht zu. Es erscheint daher am zweckmäßigsten, empirisch ermittelte Gesetzmäßigkeiten durch anwendungsgerechte, zielgerichtete Modelle in mathematisch einfachen Formen zu beschreiben.

In der Literatur gibt es zahlreiche Bestrebungen, das Zähigkeitsverhalten von faserverstärkten Verbundwerkstoffen durch Modelle zu beschreiben [2, 3]. Wesentliche Grundannahme in diesen Modellen ist oft ein sprödes Werkstoffverhalten (siehe: Brucharten). Darauf aufbauend erfolgte die Modellierung des Zähigkeitsverhaltens über theoretische Konzepte, wobei Wechselwirkungsparameter häufig nicht berücksichtigt werden konnten. Allgemein ist der Versagensprozess von kurzfaserverstärkten Kunststoffen jedoch durch das Auftreten energiedissipativer Prozesse gekennzeichnet, wobei die im Bild 2 dargestellten Mechanismen auftreten:

Faserbruch
Riss umläuft Faser
pull-out
debonding
plastische Deformation und Matrixversagen

Bild 2:

Bruchmechanismen kurzfaserverstärkter Kunststoffe

Bruchverhalten, Teilchenverbunde

Eine Möglichkeit zur Modellierung der Brucharbeit, die bei instabiler Rissausbreitung und elastisch-plastischem Werkstoffverhalten in teilchengefüllten Thermoplasten verrichtet wird, zeigt das Modell von Bohse [4, 5].

In Analogie zu den Modellvorstellungen von Friedrich und Lauke [6] für Kurzfaserverbunde treten folgende Arbeitsanteile auf (siehe Bild 3):

Matrix/Teilchen-Ablösung
nicht-lineare viskoelastische Matrixdeformation
plastische Deformation von Matrixfibrillen
Fibrillenbruch

Bild 3:

Schematische Darstellung von Deformationserscheinungen in teilchengefüllten Kunststoffen

Siehe auch

Literaturhinweise

[1]	Michler, G. H.: Kunststoff-Mikromechanik – Morphologie, Deformation und Bruchmechanismen von polymeren Werkstoffen. Carl Hanser Verlag, München Wien (1992) (ISBN 3-446-170685; siehe AMK-Büchersammlung unter F 4)
[2]	Friedrich, K. (Ed.): Composite Materials Science, Volume 6: Application of Fracture Mechanics to Composite Materials. Elsevier, Amsterdam New York (1989) (E-Book: ISBN 978-0-4445-9721-2)
[3]	Sanadi, A. R., Prasad, S. V. and Rohatgi, P. K.: Sunhemp fibre-reinforced polyester. Part 1. Analysis of tensile and impact properties. Journal of Material Science 21 (1986) 12, 4299–4304; https://doi.org/10.1007/BF01106545
[4]	Grellmann, W., Bohse, J., Seidler, S.: Bruchmechanische Analyse des Zähigkeitsverhaltens von teilchengefüllten Thermoplasten. Materialwissenschaft und Werkstofftechnik 21 (1990) 9, S. 359–364; https://doi.org/10.1002/mawe.19900210910
[5]	Bohse, J., Grellmann, W., Seidler, S.: Micromechanical interpretation of fracture toughness of particulate-filled thermoplastics. Journal of Material Science 26 (1991) 24, S. 6715–6721; https://doi.org/10.1007/BF02402665
[6]	Lauke, B., Friedrich, K.: Fracture toughness modelling of fibre reinforced composites by crack resistance curves. Advanced Composite Matererials 26 (1991) S. 261–275; https://doi.org/10.1163/156855192X00080

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-== Bruchverhalten, Kunststoffe ==
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-Einige teilkristalline Polymere wie PA, PE und PP können bis zu einem Dehnungsverhältnis von  = 20 kaltgezogen werden, wobei sich eine stabile Einschnürung entlang des Prüfkörpers bewegt.
+==Typische Mechanismen der plastischen Deformation==
-Viele amorphe Kunststoffe (z.B. PS oder PMMA) sind bei Zugbeanspruchung spröd, verformen sich aber bei Druckspannungen oder reiner Scherbeanspruchung plastisch. Ebenso zeigen Epoxidharze in Kompression einen hohen Grad an Duktilität. Typische Vertreter eines duktilen und zähen Bruchverhaltens sind z.B. PP, PE oder auch PA.
+Die '''[[plastische Deformation]]''' tritt bei duktilen Polymeren in zwei Formen auf:
-Die '''plastische Deformation''' tritt bei duktilen Polymeren in zwei Formen auf:
+Die '''Scherdeformation''' ([[Deformationsmechanismen#Der Shear-Yielding Bildungsmechanismus|shear yielding]]), d. h. die Schubspannungsfließzonenbildung, die eine starke Formänderung ohne Volumenänderung hervorruft. Scherdeformationen zeigen viele teilkristalline Polymere bei Zugbeanspruchung, [[Normklimate|Raumtemperatur]] (RT) und Prüfung an Luft ('''Bild''') (siehe: [[Scherbandbildung]]).
-Die '''Scherdeformation''' (shear yielding), d.h. die Schubspannungsfließzonenbildung, die eine starke Formänderung ohne Volumenänderung hervorruft. Scherdeformationen zeigen viele teilkristalline Polymere bei Zugbeanspruchung, RT und Prüfung an Luft (Bild).
+Das '''[[Crazing]]''' (Normalspannungsfließzonenbildung), d. h. der Bildung von Hohlräumen. Dieser Prozess verursacht eine starke [[Dichte]]änderung und tritt bei [[Polymerblends|Blends]] und praktisch allen glasartigen [[Polymer]]en auf. Bei geringen Beanspruchungen findet man häufig einzelne isolierte [[Craze-Typen|Crazes]] ('''Bild 1''').
-Das '''Crazing''' (Normalspannungsfließzonenbildung), d.h. der Bildung von Hohlräumen. Dieser Prozess verursacht eine starke Dichteänderung und tritt bei Blends und praktisch allen glasartigen Polymeren auf. Bei geringen Beanspruchungen findet man häufig einzelne isolierte Crazes (Bild).
+[[Datei:bruchverhalten_kunststoffe.png|600px]]
+{|
+|- valign="top"
+|width="50px"|'''Bild 1''':
+|width="600px" |Schematische Darstellung von Deformationserscheinung in amorphen Kunststoffen
+(a) Crazes (siehe: [[Crazing]], [[Craze-Typen]] und [[Vielfach-Craze-Bildung]]) <br>
+(b) Scherband (siehe: [[Scherbandbildung]])
+|}
+Das Auftreten eines oder beider Mechanismen hängt von folgenden Bedingungen ab:
-[[Datei:bruchverhalten_kunststoffe.png]]
+* [[Kunststoffe – Aufbau|Struktur des Makromoleküls]]
+* [[Kristallinität|Kristallisationsgrade]] und Sphärolithgröße (siehe: [[Sphärolithische Struktur]])
+* Deformationsgrad
+* Vorhandensein einer zweiten Phase sowie der Testbedingungen
+* Temperatur
+* [[Verformungsgeschwindigkeit]] (siehe auch: [[Dehnrate Grundlagen]])
+* dreiachsiger Spannungszustand (siehe auch: [[Mehrachsiger Spannungszustand]])
+* Umgebungsbedingungen
+==Bruchverhalten, Kurzfaserverbunde==
-Bild: Schematische Darstellung von Deformationserscheinung in amorphen Kunststoffen
+Einsatz und Anwendungsgrenzen von [[Kurzfaserverstärkte Verbundwerkstoffe|kurzfaserverstärkten Verbundwerkstoffen]] sind von der Forderung nach möglichst präziser Vorausbestimmung der zu erwartenden Verbundeigenschaft mitbestimmt. Die Vielfalt der Einflussfaktoren lässt eine umfassende Theorie der Mechanik polymerer [[Prüfung von Verbundwerkstoffen|Verbundwerkstoffe]] auch künftig nicht zu. Es erscheint daher am zweckmäßigsten, empirisch ermittelte Gesetzmäßigkeiten durch anwendungsgerechte, zielgerichtete Modelle in mathematisch einfachen Formen zu beschreiben.
-Crazes
-Scherband
-Das Auftreten eines oder beider Mechanismen hängt von folgenden Bedingungen ab:
+In der Literatur gibt es zahlreiche Bestrebungen, das [[Zähigkeit]]sverhalten von faserverstärkten Verbundwerkstoffen durch Modelle zu beschreiben [2, 3]. Wesentliche Grundannahme in diesen Modellen ist oft ein sprödes Werkstoffverhalten (siehe: [[Brucharten]]). Darauf aufbauend erfolgte die Modellierung des Zähigkeitsverhaltens über theoretische Konzepte, wobei Wechselwirkungsparameter häufig nicht berücksichtigt werden konnten.
-<ul>
+Allgemein ist der Versagensprozess von kurzfaserverstärkten Kunststoffen jedoch durch das Auftreten energiedissipativer Prozesse gekennzeichnet, wobei die im '''Bild 2''' dargestellten Mechanismen auftreten:
-<li>Struktur des Makromoleküls</li>
-<li>Kristallisationsgrade und Sphärolithgröße</li>
+* Faserbruch
-<li>Deformationsgrad</li>
+* [[Riss]] umläuft Faser
-<li>Vorhandensein einer zweiten Phase sowie der Testbedingungen</li>
+* [[Faser-Matrix-Haftung|pull-out]]
-<li>Temperatur</li>
+* debonding
-<li>Verformungsgeschwindigkeit</li>
+* [[Deformation#Plastische Deformation|plastische Deformation]] und Matrixversagen
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-<li>Umgebungsbedingungen</li>
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-== Bruchverhalten, Kurzfaserverbunde ==
+==Bruchverhalten, Teilchenverbunde==
+Eine Möglichkeit zur Modellierung der Brucharbeit, die bei instabiler [[Rissausbreitung]] und elastisch-plastischem Werkstoffverhalten in [[Teilchengefüllte Kunststoffe|teilchengefüllten]] [[Thermoplaste]]n verrichtet wird, zeigt das Modell von Bohse [4, 5].
-Einsatz und Anwendungsgrenzen von Kurzfaserverbundwerkstoffen sind von der Forderung nach möglichst präziser Vorausbestimmung der zu erwartenden Verbundeigenschaft mitbestimmt. Die Vielfalt der Einflussfaktoren lässt eine umfassende Theorie der Mechanik polymerer Verbundwerkstoffe auch künftig nicht zu. Es erscheint daher am zweckmäßigsten, empirisch ermittelte Gesetzmäßigkeiten durch anwendungsgerechte, zielgerichtete Modelle in mathematisch einfachen Formen zu beschreiben.
+In Analogie zu den Modellvorstellungen von Friedrich und Lauke [6] für Kurzfaserverbunde treten folgende Arbeitsanteile auf (siehe '''Bild 3'''):
-In der Literatur gibt es zahlreiche Bestrebungen, das Zähigkeitsverhalten von faserverstärkten Verbundwerkstoffen durch Modelle zu beschreiben [2, 3]. Wesentliche Grundannahme in diesen Modellen ist oft ein sprödes Werkstoffverhalten. Darauf aufbauend erfolgte die Modellierung des Zähigkeitsverhaltens über theoretische Konzepte, wobei Wechselwirkungsparameter häufig nicht berücksichtigt werden konnten.
+* Matrix/Teilchen-Ablösung
-Allgemein ist der Versagensprozess von kurzfaserverstärkten Kunststoffen jedoch durch das Auftreten energiedissipativer Prozesse gekennzeichnet, wobei die im Bild dargestellten Mechanismen auftreten:
+* nicht-lineare viskoelastische [[Bruchmodell faserverstärkte Kunststoffe|Matrixdeformation]]
+* [[Deformation#Plastische Deformation|plastische Deformation]] von [[Brucharten|Matrixfibrillen]]
+* [[Bruchprozesszone|Fibrillenbruch]]
+[[Datei:teilchenverbunde.jpg|300px]]
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+|}
-    * Faserbruch
+==Siehe auch==
-    * Riss umläuft Faser
+*[[Faserverstärkte Kunststoffe]]
-    * pullout
+*[[Faser-Matrix-Haftung]]
-    * debonding
+*[[Bruchmodell faserverstärkte Kunststoffe]]
-    * plastische Deformation und Matrixversagen
+*[[Kurzfaserverstärkte Verbundwerkstoffe]]
+==Literaturhinweise==
-'''Literaturhinweise'''
+{|
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+|[1]
+|[[Michler,_Goerg_Hannes|Michler, G. H.]]: Kunststoff-Mikromechanik – Morphologie, Deformation und Bruchmechanismen von polymeren Werkstoffen. Carl Hanser Verlag, München Wien (1992) (ISBN 3-446-170685; siehe [[AMK-Büchersammlung]] unter F 4)
+|-valign="top"
+|[2]
+|[https://de.wikipedia.org/wiki/Klaus_Friedrich_(Werkstoffwissenschaftler) Friedrich, K.] (Ed.): Composite Materials Science, Volume 6: Application of Fracture Mechanics to Composite Materials. Elsevier, Amsterdam New York (1989) (E-Book: ISBN 978-0-4445-9721-2)
+|-valign="top"
+|[3]
+|Sanadi, A. R., Prasad, S. V. and Rohatgi, P. K.: Sunhemp fibre-reinforced polyester. Part 1. Analysis of tensile and impact properties. Journal of Material Science 21 (1986) 12, 4299–4304; [https://doi.org/10.1007/BF01106545 https://doi.org/10.1007/BF01106545]
+|-valign="top"
+|[4]
+|[[Grellmann,_Wolfgang|Grellmann, W.]], Bohse, J., [[Seidler,_Sabine|Seidler, S.]]: Bruchmechanische Analyse des Zähigkeitsverhaltens von teilchengefüllten Thermoplasten. Materialwissenschaft und Werkstofftechnik 21 (1990) 9, S. 359–364; [https://doi.org/10.1002/mawe.19900210910 https://doi.org/10.1002/mawe.19900210910]
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+|[5]
+|Bohse, J., [https://www.researchgate.net/profile/Wolfgang-Grellmann Grellmann, W.], [https://www.researchgate.net/profile/Sabine-Seidler Seidler, S.]: Micromechanical interpretation of fracture toughness of particulate-filled thermoplastics. Journal of Material Science 26 (1991) 24, S. 6715–6721; [https://doi.org/10.1007/BF02402665 https://doi.org/10.1007/BF02402665]
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+|[6]
+|Lauke, B., Friedrich, K.: Fracture toughness modelling of fibre reinforced composites by crack resistance curves. Advanced Composite Matererials 26 (1991) S. 261–275; [https://doi.org/10.1163/156855192X00080 https://doi.org/10.1163/156855192X00080]
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-<ol>
+[[Kategorie:Schadensanalyse_Bauteilversagen]]
-<li>Michler, G.H.: Kunststoff-Mikromechanik – Morphologie, Deformation und Bruchmechanismen von polymeren Werkstoffen. Carl Hanser Verlag, München Wien (1992)</li>
-<li>Friedrich, K. (Ed.): Application of Fracture Mechanics to Composite Materials. Elsevier (Composite Materials Science Volume 6), Amsterdam New York, (1989)</li>
-<li>Sanadi, A.R., Prasad, S.V. and Rohatgi, P.K.: Sunhemp Fiber-Reinforced Polyester. 1. Analysis of Tensile and Impact Properties. Journal of Materials Science,  21 (1986)12, pp. 4299-4304</li>
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