DD150507B1 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung der Spannungsrißbeständigkeit - Google Patents

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung der Spannungsrißbeständigkeit Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung der Spannungsrißbeständigkeit von hochpolymeren Werkstoffen, insbesondere von Styrolpolymerisaten, bei gleichzeitiger Einwirkung von aggressiven Medien und mechanischen Spannungen.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Eine gebräuchliche Kenngröße zur Charakterisierung der Beständigkeit thermoplastischer Werkstoffe gegenüber Rißbildung bei Beanspruchung durch äußere und innere Spannungen und gleichzeitiger Einwirkung benetzender Medien im flüssigen oder gasförmigen Zustand ist die Spannungsrißbeständigkeit.

Es ist bekannt, die Spannungsrißbeständigkeit nach dem Prinzip des Beil-Telephone-Test zu beurteilen. Bei diesem Verfahren werden Probestreifen (38mm χ 12,5mm χ 3mm) mit einer 'Kerbe versehen, um einen Winkel von 180° gebogen und in einer Netzmittellösung gelagert. Als Kennwert wird die Zeit in Stunden angegeben, innerhalb der bei 50% der Proben Risse auftreten. Nachteilig wirkt sich bei dieser Methode aus, daß sie eine ungenügende Reproduzierbarkeit infolge von subjektiven Fehlermöglichkeiten bei der Kerbeinbringung und der visuellen Beobachtung der Prüfkörper aufweist. Die Anwendung des Verfahrens ist nur für den Thermoplast Polyäthylen möglich, wobei die unterschiedliche Steifigkeit der Polyäthylentypen auch hier Grenzen setzt.

Bei der sogenannten Parabel-Methode werden die Prüfkörper (120mm χ 10mm χ 4mm) auf eine parabelförmige Schiene aufgespannt und die Rißbildung im Medium beobachtet. Auch hierbei können wegen der visuellen Beurteilung der Rißbildung subjektive Prüffehler nicht ausgeschlossen werden.

Das Kugeleindrückverfahren nach DIN 53449 stellt eine Methode zur Bestimmung der Spannungsrißbildung für vorwiegend amorphe Thermoplaste dar. Durch Eindrücken von Stahlkugeln mit auf 0,001 mm genau abgestuften Übermaßen in aufgeriebene Bohrungen der Prüfkörper (Normkleinstäbe, ISO-Stäbe) werden bei konstanter Deformation Spannungen erzeugt. Die Prüfkörper einer Deformationsreihe werden für eine bestimmte Dauer im Medium gelagert. Als Rißbildungsgrenze wird das Kugelübermaß definiert, bei dem sich der Kennwert einer bestimmten, geprüften mechanischen Kenngröße (z. B. Biegefestigkeit) innerhalb der Deformationsreihe um 5% gegenüber dem Kennwert dieser Kenngröße für die Deformationsstufe Null, d. h. gebohrter und aufgeriebener Prüfkörper ohne Kugel, vermindert hat. Diese relativ komplizierte und zeitaufwendige Verfahrensweise eröffnet die Möglichkeit einer Reihe von objektiven und subjektiven Fehlerquellen. Die Abmessungen der Bohrungen und der Stahlkugeln müssen genauestens aufeinander abgestimmt und reproduzierbar sein, das Eindrücken der Kugeln muß stets auf gleiche Weise erfolgen. Die Durchführung der Methode richtet daher hohe Anforderungen an die Qualität des Bohrgerätes, an die Gleichmäßigkeit der Kugeln und an die Erfahrung und Gewissenhaftigkeit des Werkstoffprüfers. Eine befriedigende Vergleichbarkeit der Meßergebnisse ist deshalb nur schwer zu erreichen.

Nachteilig bei den bekannten Verfahren ist, daß zu ihrer Durchführung geometrisch unterschiedlich gestaltete und nach verschiedenen Verfahren (Pressen, Spritzgießen) hergestellte Prüfkörper eingesetzt werden, die den Prüfablauf aufwendig gestalten und die Prüf- und Apparatekosten wesentlich erhöhen. Der durch Wahl des Herstellungsverfahrens beeinflußbare innere Zustand (Eigenspannungen, Orientierungen) der Prüfkörper wirkt sich signifikant auf die Meßergebnisse aus und führt bei Nichtbeachtung zu nicht vergleich- und verwertbaren Kennwerten.

Der entscheidende Nachteil der bisher genannten Verfahen besteht darin, daß die Prüfkörperbeanspruchung bei der Versuchsdurchführung durch eine konstante Verformung vorgegeben wird, wodurch das plasttypische Relaxationsverhalten unberücksichtigt bleibt. Unterschiedliche Relaxationsgeschwindigkeiten haben verschiedenartige Beanspruchungsveriäufe (Spannungs-Zeit-Kurven) zur Folge. Damit sind die Kennwerte verschiedenerThermoplaste und sogar verschiedener Chargen nicht miteinander vergleichbar.

Nach TGL 28041 wird die Bestimmung der Spannungsrißbeständigkeit von Polyäthylen hoher Dichte bei konstanter Zugbelastung durchgeführt. Dieses Verfahren hat gegenüber den anderen Verfahren den Vorteil, daß durch eine vorgegebene konstante Belastung dem werkstoffcharakteristischen Relaxationsverhalten Rechnung getragen wird. Die Verfahrensbedingungen führen jedoch zu extrem langen Versuchszeiten, wodurch ein hoher Prüfaufwand entsteht. Das Verfahren hat außerdem den Nachteil, daß es ausschließlich nur die Prüfung von Polyäthylen hoher Dichte erlaubt und damit für andere Thermoplaste, beispielsweise Polystyrol, Polymethylmethacrylat, nicht anwendbar ist. Nachteilig wirkt sich weiterhin aus, daß durch Nichteinbeziehung der Festigkeit ohne Medieneinfluß fehlerhafte Meßergebnisse erzielt werden, die eine vergleichende Produktcharakterisierung nicht zulassen.

Ziel der Erfindung

Durch die Erfindung sollen das Materialverhalten von hochpolymeren Werkstoffen bei Medieneinwirkung unter Beachtung hoher Genauigkeitsanforderungen reproduzierbar und werkstoffrelevant beurteilt sowie eine Steigerung der Arbeitsproduktivität bei der Prüfung erreicht werden.

Darlegung des Wesens der Erfindung

— Die technische Aufgabe

Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Bestimmung der Spannungsrißbeständigkeit von hochpolymeren Werkstoffen, insbesondere von Styrolpolymerisaten, zu schaffen, wobei geometrisch einheitlich gestaltete Prüfkörper mit definiertem inneren Zustand verwendet werden. Das Verfahren soll bei hoher Prüfsicherheit eine werkstoffrelevante und reproduzierbare Kennwertermittlung gestatten und die Anwendung von die Materialgrundfestigkeit berücksichtigenden mechanischen Spannungen sowie kurze Prüfzeiten vorsehen.

— Merkmale der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Bestimmung der Spannungsrißbeständigkeit benutzt Prüfkörper mit definiertem inneren Zustand und wird dadurch gekennzeichnet, daß die Festigkeiten unter Zugbeanspruchung zum einen in Luft und zum anderen in einem flüssigen Medium nach Ablauf einer vorgegebenen Standzeit von 10 bis 20 Minuten ermittelt werden und anschließend ein Kennwert aus beiden Festigkeitswerten als Kriterium für die Spannungsrißbeständigkeit der Werkstoffe gebildet wird.

AIs flüssige Medien werden Substanzen eingesetzt, die einen festigkeitsbeeinflussenden Effekt hervorrufen. Vorzugsweise werden Alkohole verwendet. Als Prüfmedium können weiterhin niedere und hohe Kohlenwasserstoffe, Tenside und Pflanzenöle Verwendung finden.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll nachfolgend an einem Beispiel näher erläutert werden. Die zugehörige Zeichnung zeigt einen Längsschnitt durch eine bevorzugte Ausführungsform der Vorrichtung zur Versuchsdurchführung als Zusatzeinrichtung für eine Werkstoff prüf maschine.

Ein einseitig offener zylindrischer Behälter 1 ist mit einem Adapter 2 auf der Traverse 3 der Prüfmaschine befestigt. Der Behälter 1 dient zur Aufnahme des Prüfkörpers 4 und des Prüfmediums 5. Der Prüfkörper 4 ist an seinen Enden in Haltevorrichtungen 6 eingespannt, an denen seitlich Zapfen 7 angeordnet sind. Die Zapfen 7 realisieren die Verbindung der Prüfkörperhaltevorrichtungen 6 mit der Halterung 8, die an der Bodeninnenseite des Behälters 1 angebracht ist, und der am Kraftmeßelement 9 befindlichen Adapterhalterung 10, wodurch ein fester Sitz des Prüfkörpers während des Prüfvorganges gewährleistet wird.

Bei der vorstehend beschriebenen Ausführungsform der Vorrichtung sind die Prüfkörperhaltevorrichtungen 6 als Einspannklemmen ausgebildet. Es ist jedoch auch möglich, andere Haltevorrichtungen für Prüfkörper, beispielsweise gemäß WP 126653, einzusetzen.

Die Anwendung der Erfindung wurde für Styrolpolvmerisate erfolgreich nachgewiesen. Die Prüfungen von Normalpolystyrol-, Polystyrol schlagfest und ABS-Produkten wurden an Schulterstäben vom Typ 1 nach TGL 14070 „Prüfung von Plasten; Zugversuch" durchgeführt. Die Hersteilung der Prüfkörper erfolgte im Spritzgießverfahen. Diese wiesen folgende Eigenschaften auf:

— Normalpolystyrol (PS-S 246 nach TGL 11690/04) und Polystyrol schlagfest (PS-C 516 nach TGL 11690/05): 40 bis 45% Schrumpfung (Schrumpfbedingungen gemäß TGL 11690/02)

— ABS (Sconater442MAnach TGL 25496/03): 25 bis 35% Schrumpfung (Schrumpfbedingungen gemäß TGL 25496/02) Ermittelt wurden die Zugfestigkeit σ_Β bzw. Zugspannung an der Streckgrenze a_s in Luft und die Zugspannung o_is, die nach Ablauf einer konstanten Prüfzeit von 15 Minuten im Prüfmedium Methylalkohol zum Bruch führt.

Die Bestimmung von σ-,₅ ist nach einem grafischen Auswerteverfahren vorzunehmen. Dazu sind mindestens drei Messungen üei verschieden eingestellten Zugspannungen durchzuführen. Die Prüfspannungen sind so zu wählen, daß nach Standzeiten im Bereich von 10 bis 20 Minuten ein Bruch der Prüfkörper erfolgt. Die Meßergebnisse sind in einem Bruch-Zeit-Diagramm (Abszisse logarithmisch: Standzeit, Ordinate linear: Prüfspannung) darzustellen. Durch die eingetragenen Punkte ist eine Gerade zu legen. Die Zugspannung σ·₅ ergibt sich dann durch den Wert, den die Gerade bei einer Standzeit von 15 Minuten erreicht.

Als Kennwerte für die Spannungsrißbeständigkeit wurden die Verhältnisse SRB = σ,₅/σ₅ bzw. SRB = σ₁₅/σ_Β geöildet.

Die Kennwerte von SRB = 0,36 für Normalpolystyrol, SRB = 0,48 für PS-schlagfest und SRB = 0,73 für ASS spiegeln das in der Praxis beim Gebrauch von Formteilen erwiesene Verhalten der Plastwerkstoffe wider und unterstreichen damit eine klassifizierende Bewertung von Styrolpolymerisaten.

Claims (1)

1. Erfindungsanspruch

   1. Verfahren zur Bestimmung der Spannungsrißbeständigkeit von hochpolymeren Werkstoffen, insbesondere von Styrolpolymerisaten, bei gleichzeitiger Einwirkung von aggresiven Medien und mechanischen Spannungen auf Prüfkörper mit definiertem inneren Zustand, gekennzeichnet dadurch, daß die Festigkeiten unter Zugbeanspruchung zum einen in Luft und zum anderen in einem flüssigen Medium für eine vorgegebene Standzeit von 10 bis 20 Minuten ermittelt werden und anschließend aus beiden Festigkeitswerten ein Kennwert als Kriterium für die Spannungsrißbeständigkeit der Werkstoffe gebildet wird.

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