Strain Hardening Test (SHT)

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Strain Hardening Test (SHT)

Konventionelle Verfahren, wie der Full Notch Creep Test (FNCT) oder der Pennsylvania Edge Notch Tensile (PENT) Test, zur Prüfung des Langzeitverhaltens als Widerstand gegen langsame Rissausbreitung (SCG) werden für hochentwickelte polymere Rohrwerkstoffe zunehmend ungeeigneter aufgrund der extrem langen Prüfzeiten von oft mehr als einem Jahr. Aus diesem Grund besteht die unmittelbare Notwendigkeit zur Entwicklung neuer zeitsparender Prüfmethoden zur Lebensdauerabschätzung dieser Polymerwerkstoffe. Eine Möglichkeit zur Überwindung dieses Problems besteht in der Einführung neuer Prüfmethoden. Im Jahr 2008 präsentierte die Fa. SABIC eine elegante Methode zur Vorhersage des langsamen Risswachstums durch einfache Zugversuche bei höheren Temperaturen, den sogenannten Strain Hardening Test (SHT) (standardisiert nach ISO 18488 [1]). Für einen bestimmten Werkstoff korreliert hierbei der Anstieg des Spannungs-Dehnungs-Diagramms im Dehnungshärtungbereich sehr gut mit den aus dem FNCT erhaltenen Ergebnissen [2].

Der SHT basiert auf dem uniaxialen Zugversuch bei einer Dehngeschwindigkeit von 20 mm/min und einer Temperatur von 80 °C. Die Spannungs-Dehnungs-Diagramme (Bild 1a) werden gemessen und weiter analysiert (siehe auch [3, 4]).

Das Streckverhältnis λ ergibt sich aus der aktuellen Länge l und der anfänglichen Prüfkörperlänge l₀ zwischen den Messmarken zu λ = 1 + Δl / l₀, wobei Δl = l₀ – l die Prüfkörperverlängerung ist. Die wahre Spannung σ_true wird nach σ_true = λ · F/A berechnet, wobei F die gemessene Kraft und A das Produkt der anfänglichen Breite und Dicke ist. Das Neo-HOOKE‘sche-Materialgesetz wird zur Anpassung und Extrapolation der Daten verwendet, aus denen der Verfestigungs (SH)-Modul <G_p> für 8 < λ < 12 nach

$\sigma _{true}={\frac {<G_{p}>}{20}}\cdot \left(\lambda ^{2}-{\frac {1}{\lambda }}\right)+C$

(1)

berechnet wird (SH – Strain Hardening). Hierbei ist C ein mathematischer Parameter des Materialgesetzes, der die Extrapolation der Streckspannung auf λ = 0 beschreibt.

Das Prüfverfahren zur Abschätzung des SH-Moduls wurde auf verschiedene PE-Werkstoffgenerationen wie PE 80 (zwei Typen: PE-HD, PE-MD – Polyethylen mittlerer Dichte), PE 100 (drei Typen von zwei Herstellern) und PE 100-RC (ein Typ) angewendet. Für jeden Werkstoff wurden fünf Prüfkörper (modifizierter Typ 3 nach ISO 37) aus einer 1 mm dicken Pressplatte ausgestanzt. Die Messung erfolgte mittels einer Universalprüfmaschine Instron 6025R5800 mit Temperierkammer und Video-Dehnungsaufnehmer entsprechend den Prüfbedingungen nach ISO 18488.

Die beispielhaft in Bild 1b für einige PE-HD-Rohrtypen dargestellten wahren Spannungs-Dehnungs-Diagramme zeigen keine Anzeichen für eine geometrisch bedingte Spannungsabnahme nach der Streckgrenze (wie in Bild 1a). Der SH-Modul ist in Bild 1c in Bezug zur Versagenszeit aus dem FNCT und PENT dargestellt. Sowohl der Anstieg der wahren Spannungs-Dehnungs-Diagramme als auch der SH-Modul von PE-HD korrelieren mit dem Widerstand gegen SCG, der entsprechend [2–4] in der Reihenfolge PE 80 → PE 100 → PE 100-RC zunimmt.

Bild 1:

Spannungs-Dehnungs-Diagramm von PE-HD (a). Wahres Spannungs-Dehnungs-Diagramm (b) für PE-HD-Rohrtypen [3, 4] und Versagenszeit tf in Abhängigkeit SH-Modul (c): schwarze Punkte [2]: blaue und rote Punkte [3, 4]

Aufgrund des grundsätzlich enormen Zeitverbrauchs des FNCT und PENT als konventionelle Verfahren zur Beurteilung der Langzeitperformance und Lebensdauer müssen neue Prüfverfahren wie der Strain Hardening Test eingeführt werden. In Bild 1c ist die Versagenszeit gegen den SH-Modul aufgetragen. Ein hoch-nichtlinearer Zusammenhang (R² = 0,89) – keineswegs ein linearer, wie in [2] angenommen wurde (vgl. jedoch [5, 6]) – existiert zwischen <G_p> und t_f, der für den FNCT empirisch durch

$t_{f}=1.7\times 10^{0.046\cdot <G_{p}>}$

(2)

(<G_p> in MPa, t_f in h) beschrieben werden kann. Entsprechend [2], in der eine Grenzlinie zur Identifikation von PE 100 und PE 100-RC gefunden wurde, trennt eine ähnliche Grenzlinie in Bild 1c bei <G_p> = 41 – 42 MPa die Daten des SCG-Widerstands von PE 80 von denen des PE 100 [3, 4].

Literaturhinweise

[1]	ISO 18488 (2015-09): Polyethylene (PE) Materials for Piping Systems – Determination of Strain Hardening Modulus in Relation to Slow Crack Growth – Test Method
[2]	van der Stock, E., Scholte, F.: Strain Hardening Test on PE Pipe Materials. In: Proceedings of Plastic Pipes XVI, Barcelona (2012), 10 Seiten
[3]	Nezbedova, E., Hodan, J., Kotek, J., Krulis, Z., Hutar, P., Lach, R.: Lifetime of Polyethylene (PE) Pipe Materials – Prediction using Strain Hardening Test. In: Grellmann, W., Langer, B. (Eds.): Deformation and Fracture Behaviour of Polymer Materials. Springer, Berlin (2017) 203–210 (ISBN 978-3-319-41877-3, siehe AMK-Büchersammlung unter A 19)
[4]	Lach, R., Nezbedova, E., Langer, B., Grellmann, W.: Schnelle Abschätzung des mechanischen Langzeitverhaltens moderner Werkstoffe für Kunststoffrohre mittels des einachsigen Zugversuchs. In: Frenz, H., Langer, J. B. (Hrsg.): Fortschritte in der Werkstoffprüfung für Forschung und Praxis. Prüftechnik – Kennwertermittlung – Schadensvermeidung, Tagungsband „Werkstoffprüfung 2017“, 30.11./01.12.2017, Berlin, S. 259–264 (ISBN 978-3-9814516-7-2; siehe AMK-Büchersammlung unter A 20)
[5]	Deblieck, R., van Beek, D. J. M., Remerie, K., Ward, I. M.: Failure Mechanism in Polyolefines. The Role of Crazing, Shear Yielding and the Entanglement Network. Polymer 52 (2011) 2979–2990
[6]	Kurelec, L., Teeuwen, M., Schoffeleers, H., Deblieck, R.: Strain Hardening Modulus as a Measure of Environmental Stress Crack Resistance of High Density Polyethylene. Polymer 46 (2005) 6369–6379