Laser-Heterogenität der Dehnungsverteilung

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Laser-Heterogenität der Dehnungsverteilung

Auswerteprinzip

Als wesentliches Ergebnis von Untersuchungen mittels Laserextensometrie (Laser-Winkel-, Laser-Parallel- oder Laser-Multi-Scanner) im Zugversuch an Kunststoffen oder Kunststoffverbunden erhält man die lokalen Dehnungsverteilungen im markierten Bereich der Prüfkörper. Diese lokalen Dehnungen sind als Dehnungs-Zeit-Diagramme oder z. B. als lokale Spannungs-Dehnungs-Diagramme zwei- oder dreidimensional darstellbar und visualisieren dem Prüfer den inneren Zustand des untersuchten Prüfkörpers (Bild 1a). Neben den bildlichen Informationen können auch lokale Kennwerte wie Elastizitätsmodul oder Dehnung an der Streckgrenze berechnet werden. Ein Problem für eine effektive Auswertung stellen die großen Datenmengen dar, weshalb eine sinnvolle Datenreduzierung zur Quantifizierung der Dehnungsheterogenität im markierten Prüfkörpervolumen erforderlich ist. Aus diesem Grund wurde als neue Kenngröße der Laserextensometrie die Heterogenität der Dehnungsverteilung formuliert (Gl. 1).

H = (εlmax – εlmin) / εi

(1)

Hrel = H / Hmax

(2)

Bild 1:

Schematische Darstellung der Ermittlung der Heterogenität

Die Heterogenität H ergibt sich aus der jeweiligen Differenz zwischen der maximalen und minimalen lokalen Dehnung, unabhängig vom Ort der Registrierung, bezogen auf die integrale Dehnung im Probenvolumen (Bild 1b). Da diese Kenngröße im Bereich sehr kleiner Dehnung hohen systembedingten Schwankungen unterliegt, wird für die Auswertung die relative Heterogenität H_rel (Gl. 2) genutzt. Nach Erreichen einer werkstoffabhängigen minimalen Heterogenität setzt am kritischen Punkt die Werkstoffschädigung ein, die zu einer Zunahme dieses Kennwertes führt und das Maximum beim Bruch erreicht (Bild 1c).

Anwendung

Die Schweißnahtgüte wird üblicherweise mit dem konventionellen Zugversuch unter Nutzung des Schweißfaktors S = σ_MU/σ_MG (U = Ungeschweißt, G = Geschweißt) bewertet. Dieser Kennwert gibt keine Auskunft über das Deformationsverhalten der Schweißnaht und ist für Schweißungen aus unterschiedlichen Werkstoffen nicht anwendbar. Die Untersuchung an ungeschweißten Polyamid 66-Werkstoffen mit 10 bis 30 M.-% Glasfasern belegt die geringen Unterschiede der Werkstoffe und die geringen Heterogenitätswerte um 0,2 (Bild 2a), wobei die Heterogenität allerdings vom Glasfasergehalt (siehe: Veraschungsmethode) abhängig ist. Werden verschiedene Polyamid 66-Werkstoffe im Stumpfschweißverfahren gefügt, dann ergeben sich deutlich höhere Werte der minimalen Heterogenität oberhalb von 0,4 als auch ein signifikanter Schädigungseinfluss, der zu erhöhten Bruchheterogenitäten von bis zu 0,76 führt. Mit abnehmenden Glasfasergehalt der Schweißpartner verschiebt sich der kritische Punkt des Einsetzens von Schädigungseffekten zu niedrigeren Dehnungswerten und zu einer verringerten Bruchheterogenität (Bild 2b).

Bild 2:

Nutzung der Heterogenität zur Bewertung der Schweißnahtgüte für Polyamid 66-Werkstoffe

Literaturhinweise

• Grellmann, W., Bierögel, C.: Laserextensometrie anwenden. Einsatzmöglichkeiten und Beispiele aus der Kunststoffprüfung Materialprüfung 40 (1998) 11–12, 452–459
• Bierögel, C.: Hybride Verfahren der Kunststoffdiagnostik. In: Grellmann, W., Seidler, S. (Hrsg.): Kunststoffprüfung. Carl Hanser Verlag, München (2015), 3. Auflage S. 534−539, ISBN 978-3-446-44350-1; E-Book: ISBN 978-3-446-44390-7; siehe AMK-Büchersammlung unter A 18
• Bierögel, C., Grellmann, W.: Determination of Local Deformation Behaviour of Polymers by Means of Laser Extensometry. In: Grellmann, W., Seidler, S. (Eds.): Deformation and Fracture Behaviour of Polymers. Springer, Berlin (2001) 365–384
• Bierögel, C., Fahnert, T., Grellmann, W.: Deformation Behaviour of Reinforced Polyamide Materials Evaluated by Laser Extensometry and Acoustic Emission Analysis. Strain Measurement in the 21^st Century, Lancaster (UK) 5.–6. September 2001, Proceedings (2001) 56–59 Download als pdf
• Grellmann, W., Langer, B.: Methods for Polymer Diagnostics for the Automotive Industry. Materialprüfung 55 (2013) 17–22 Download als pdf
• Bierögel, C., Grellmann, W.: Ermittlung des lokalen Deformationsverhaltens von Kunststoffen mittels Laserextensometrie. In: Grellmann, W., Seidler, S. (Hrsg.): Deformation und Bruchverhalten von Kunststoffen. Springer, Berlin (1998) 331–344 (ISBN 3-540-63671-4; siehe AMK-Büchersammlung unter A 6)
• Bierögel, C., Fahnert, T., Lach, R., Grellmann, W.: Bewertung von Kunststoffschweißnähten mittels laseroptischer Dehnmesstechniken. In: Frenz, H., Wehrstedt, A. (Eds.): Kennwertermittlung für die Praxis. Tagungsband Werkstoffprüfung 2002, Wiley VCH, Weinheim (2003) 334–339 (ISBN 3-527-30674-9; siehe AMK-Büchersammlung unter M 10)
• Bierögel, C., Grellmann, W., Fahnert, T., Lach, R.: Material Parameters for Evaluation of Polymer Welds using Laser Extensometry. Polymer Testing 25 (2006) 1024–1037