01.06.2018
Höhendarstellung (Laser Scanning Mikroskop, LSM) einer charakteristischen Bruchfläche eines FNCT-Prüfkörpers.

Höhendarstellung (Laser Scanning Mikroskop, LSM) einer charakteristischen Bruchfläche eines FNCT-Prüfkörpers.

Quelle: BAM, Fachbereich Mechanik der Polymerwerkstoffe

Langsames Risswachstum (slow crack growth, SCG) und umgebungsbedingter Spannungsriss (environmental stress cracking, ESC) sind die Hauptursachen für mögliches vorzeitiges Versagen von Polymerwerkstoffen auf Basis von Polyolefinen, wie Polyethylen hoher Dichte (PE-HD). Beide Schädigungsmechanismen treten erst nach längeren Zeiträumen bei vergleichsweise geringen Belastungen unterhalb der jeweiligen Streckgrenze auf. Charakteristisch für das zumeist plötzliche Versagen durch Risswachstum ist eine spröde Bruchfläche.

Im Rahmen der Materialqualifizierung in verschiedenen Anwendungsbereichen, wie Rohre oder Gefahrgutverpackungen, wird vor allem der sogenannte Full Notch Creep Test (FNCT) eingesetzt, um den Widerstand von PE-HD-Werkstoffen gegen diese Schädigungsmechanismen zu untersuchen. In der vorliegenden Arbeit wurden mechanische Spannung, Temperatur und Umgebungsmedium beim FNCT systematisch variiert und neben den Standzeiten erstmals auch die zeitabhängige Elongation sowie die resultierenden Bruchflächen näher untersucht. Insbesondere die Bruchflächenanalyse mittels Laser Scanning Mikroskopie (LSM) liefert die Grundlage, den Versuchsverlauf, speziell im Hinblick auf die Balance zwischen sprödem Risswachstum und duktilem Verformungsbruch detailliert zu charakterisieren. Nur wenn das Risswachstum hier dominiert, kann das Ergebnis des FNCT als repräsentativ für das Verhalten bezüglich SCG bzw. ESC angesehen werden. Somit ist die Bruchflächenanalyse ein essentielles Tool sowohl bei der Bewertung des FNCT als auch bei dessen Weiterentwicklung und der Verwendung unterschiedlicher Umgebungsmedien bei der Prüfung.

Das Gemeinschaftsprojekt von BAM und dem Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF wird im Rahmen der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) von der Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen "Otto von Guericke" e.V. (AiF) gefördert und von einem Ausschuss mit Vertretern aus der vorwiegend mittelständischen Industrie, aktiv begleitet.

Full notch creep test (FNCT) of PE-HD – Characterization and differentiation of brittle and ductile fracture behavior during environmental stress cracking (ESC)
Markus Schilling, Ute Niebergall, Martin Böhning
Polymer Testing, Volume 64, December 2017, Pages 156-166
BAM Abteilung Werkstofftechnik, Fachbereich Mechanik der Polymerwerkstoffe; Abteilung Bauwerkssicherheit, Fachbereich Technische Eigenschaften von Polymerwerkstoffen