Kriechen Kunststoffe

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Kriechen

Allgemeines

Das Kennwertniveau von Kunststoffen wird in hohem Maße von der Prüfgeschwindigkeit und der Prüftemperatur beeinflusst. Dieses Verhalten wird durch die viskoelastischen Eigenschaften dieser Werkstoffe beschrieben und äußert sich unter Einsatzbedingungen schon bei Raumtemperatur im Kriechen und der Spannungsrelaxation, welches bei höheren Temperaturen noch stärker ausgeprägt ist. Für Kunststoffbauteile unter Einsatzbedingungen bedeutet das Kriechen, dass die Dimensionsstabilität als auch die Maßhaltigkeit und damit letztendlich die Funktionalität dieser Bauteile negativ beeinflusst wird.

Grundlagen des Kriechens

Das Kriechen der Kunststoffe wird vereinfacht mit dem Verhalten in Bild 1 visualisiert.

Bild 1:

Schematische Darstellung des Kriechverhaltens der Kunststoffe

Wird eine Belastung σ₀ auf einen Prüfkörper oder ein Bauteil aufgebracht und nachfolgend eine definierte Zeit gehalten, dann reagiert der Prüfkörper oder das Bauteil zunächst mit einem sprunghaften Anstieg der Deformation auf den Wert ε₀. In Abhängigkeit von der Haltezeit t der Beanspruchung und der Prüftemperatur T ergibt sich dann eine zeitabhängige Verformung, die als Kriechen ε(t) bezeichnet wird. Für den Fall der Zugbeanspruchung (siehe: Zugversuch) stellt sich das Kriechverhalten eines einseitig einspannten Prüfkörpers mit der Ausgangslänge L₀ entsprechend Bild 2 dar.

Bild 2:

Schema des Kriechverhaltens von Kunststoffen im Zugversuch

Wird dieser Prüfkörper mit einem Körper der Masse m belastet, dann stellt sich je nach Belastungshöhe spontan eine rein linear-elastische oder kombinierte Deformation aus linear-elastischem und linear-viskoelastischem Anteil ein. Definitionsgemäß bedeutet das Kriechen die Zunahme der Dehnung unter einer konstanten Last, weshalb bei Halten der Belastung über einen Zeitraum Δt eine zeitabhängige Dehnung ε(t) entsteht. Wird die Masse entfernt, dann tritt eine spontane Rückdeformation ein und es bleibt nur die zeitabhängige Dehnung erhalten.

Viskoelastisches Werkstoffverhalten

Die Viskoelastizität stellt eine zeitabhängige Elastizität dar, die auf der verzögerten Gleichgewichtseinstellung der Makromoleküle beruht. Deshalb dauert es eine gewisse Zeit bis sich durch Rückkriechprozesse die Ausgangslänge wieder einstellt.
Dieses reversible Spannung-Dehnungs-Verhalten ist charakteristisch für linear-viskoelastisches Werkstoffverhalten und findet seinen Ausdruck in der geschlossenen Hysteresekurve mit dem Zyklus 1-->2-->1 (Bild 3a). Bei einer Erhöhung der Belastung kann jedoch ein ausgeprägtes nichtlinear-viskoelastisches Werkstoffverhalten auftreten, welches durch eine irreversible zeit-, temperatur- und lastabhängige Charakteristik definiert ist. In diesem Fall entsteht eine offene Belastungshysterese mit dem Zyklus 1-->2-->3 (Bild 3b), weshalb die Deformation in Bild 2 nicht in den Ursprung zurückkehrt [1].

Bild 3:

Schematische Darstellung des linear-viskoelastischen Verhaltens (a) und des nichtlinear-viskoelastischen Spannungs-Dehnungs-Verhalten von Kunststoffen (b)

Literaturhinweis

[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)