Einleitung
Wird ein Metall mit einer Kraft belastet, verformt es sich in der Regel sofort und verbleibt dann auch noch nach längerer Zeit in der gleichen Form. War die Belastung nicht zu groß, wird sich der Körper bei Entlastung auch wieder elastisch in den ursprünglichen Zustand zurückverformen. Wenn Polymere mit einer Kraft belastet werden, verformen diese sich zwar auch sofort, nach längerer Zeit wird man aber oft feststellen, dass sich der Körper noch weiter verformt hat. Dieses Verhalten nennt man KriechenKriechen beschreibt eine zeit- und temperaturabhängige plastische Verformung von Werkstoffen unter konstanter Kraft. Wird eine konstante Kraft z.B. auf eine Kautschukmischung aufgebracht, hat die die anfängliche Deformation, die durch diese Kraft erhalten wird, keinen festgelegten Wert.Kriechen. Grundsätzlich KriechenKriechen beschreibt eine zeit- und temperaturabhängige plastische Verformung von Werkstoffen unter konstanter Kraft. Wird eine konstante Kraft z.B. auf eine Kautschukmischung aufgebracht, hat die die anfängliche Deformation, die durch diese Kraft erhalten wird, keinen festgelegten Wert.kriechen auch Metalle, bei Polymeren ist dieses Verhalten aber wesentlich ausgeprägter und kann bei der Beschreibung des mechanischen Verhaltens nicht vernachlässigt werden. Deshalb reicht bei Metallen auch häufig ein quasi-statisch aufgenommenes Spannungs-Dehnungsdiagramm aus, bei Polymeren sollte dagegen auch die zeitabhängige Verformung berücksichtigt werden.
Dabei muss grundsätzlich zwischen KriechenKriechen beschreibt eine zeit- und temperaturabhängige plastische Verformung von Werkstoffen unter konstanter Kraft. Wird eine konstante Kraft z.B. auf eine Kautschukmischung aufgebracht, hat die die anfängliche Deformation, die durch diese Kraft erhalten wird, keinen festgelegten Wert.Kriechen und RelaxationWhen a constant strain is applied to a rubber compound, the force necessary to maintain that strain is not constant but decreases with time; this behavior is known as stress relaxation. The process responsible for stress relaxation can be physical or chemical, and under normal conditions, both will occur at the same time. Relaxation unterschieden werden: beim Kriechen wirkt eine gleichbleibende Last auf den Körper, der sich infolge dessen verformt. Bei der RelaxationWhen a constant strain is applied to a rubber compound, the force necessary to maintain that strain is not constant but decreases with time; this behavior is known as stress relaxation. The process responsible for stress relaxation can be physical or chemical, and under normal conditions, both will occur at the same time. Relaxation bleibt die Verformung des Körpers konstant, aber mit der Zeit reduziert sich die dafür notwendige Kraft. RelaxationWhen a constant strain is applied to a rubber compound, the force necessary to maintain that strain is not constant but decreases with time; this behavior is known as stress relaxation. The process responsible for stress relaxation can be physical or chemical, and under normal conditions, both will occur at the same time. Relaxation ist z.B. bei Dichtungen von großem Interesse, bei vielen Bauteilen ist aber eher die Belastung konstant und es interessiert das Zeitverhalten der Verformung.
In der Materialprüfung wird die eigentliche Kriechmessung häufig mit einer Erholungsphase kombiniert (Kriechen (Rheologie)Creep is one of the earliest “controlled stress” rheometer tests that quite literally “creeps” the material, i.e. we measure over a relatively prolonged period the small movement (the creep defined as creep compliance, J) of the sample by applying a small constant stress.Creep Recovery), in der sich das Material wieder zurückverformen kann. Auf diese Weise kann zwischen einem elastischen und einem irreversiblen Kriechanteil unterschieden werden. Gerade die irreversible Verformung hängt dabei stark von der Temperatur und der Höhe der Last ab. Vor diesem Hintergrund sollen diese Zusammenhänge in dieser Veröffentlichung näher untersucht werden.
Kriecherholungsmessungen an PE-HD
Das Kriechverhalten von Polymeren wird hier beispielhaft an semikristallinem Polyethylen hoher DichteDie Massen-Dichte ist definiert als Verhältnis zwischen Masse und Volumen.Dichte (PE-HD) untersucht. Die Proben haben die Abmessungen 55 x 5 x 2 mm und werden mit Hilfe des dynamisch mechanischen Großkraftanalysators NETZSCH DMA GABO Eplexor® 500 N im Zugmodus (Abbildung 1) untersucht.
Mit dem Eplexor® können statische Kräfte bis zu 1500 N im Temperaturbereich von -160 °C bis +500 °C aufgebracht werden. Dabei stehen je nach Anwendungsbereich verschiedene Zugprobenhalter zur Verfügung: mit dem Standardzugprobenhalter können – je nach Probe – bis zu 700 N aufgebracht werden. Für höhere Kräfte steht eine verstärkte Variante mit bis zu 1500 N zur Verfügung.
Da besonders die Kraftabhängigkeit des Kriechens untersucht werden soll, werden die Einzelmessungen hier mit steigender Belastung aneinandergereiht. So können in einer Messreihe ohne Umspannen verschiedene Belastungsniveaus untersucht werden.
Bei diesem Vorgehen kann die Probe allerdings grundsätzlich vor dem eigentlichen Belastungsschritt verformt sein. Damit die Abweichungen von der Bezugsgeometrie nicht zu groß werden, wird hier von einer weiteren Laststeigerung abgesehen, sobald eine DehnungDehnung beschreibt die Deformation eines Materials, das durch eine von außen einwirkende Kraft oder Spannung mechanisch belastet wird. Gummimischungen zeigen Kriech-Eigenschaften, wenn eine statische Last aufgebracht wird.Dehnung von 10 % erreicht wurde. Die Messungen werden jeweils bei einer definierten Probentemperatur durchgeführt. Bei 50 °C werden fünf Belastungsschritte von 2 bis 6 MPa durchgeführt, dabei wird sowohl in der Kriechphase als auch in der Erholungsphase jeweils 2 Stunden gewartet, damit sich jeweils ein stabiler Zustand einstellen kann.
Bei einer erhöhten Temperatur von 100 °C wird die Last nur auf 4 MPa erhöht, da die maximale Dehnung erreicht wird.
Wie in Abbildung 2 dargestellt, gliedert sich das Kriechen für jeden Belastungsschritt typischerweise in drei Phasen: Zunächst wird die Probe relativ sprunghaft gedehnt, anschließend findet ein viskoelastisches Kriechen statt. Diese beiden Prozesse sind typischerweise reversibel. Danach geht die Probe eher in ein viskoses Fließen (konstante Dehnrate) über, wobei klar zu sehen ist, dass dieses Fließen vermehrt bei höheren Spannungen und Temperaturen auftritt. Da dieses viskose Fließen nicht reversibel ist, verbleibt dann auch nach der anschließenden Entlastungsphase eine remanente Verformung. Dieses viskoplastische Verhalten tritt verstärkt bei höheren Temperaturen und Spannungen auf.
In DIN ISO 899 [4] wird der Zeitstands-Zugversuch zur Bestimmung des Kriechverhaltens beschrieben. Dabei wird zwar nicht speziell auf die hier verwendeten Kriecherholungsexperimente eingegangen, es werden aber typische Auswertungen dargestellt, die hier auch auf die jeweiligen Kriechphasen angewendet werden können. So zeigen Abbildung 3 a) und b) jeweils die zu obiger Messung gehörigen isochronen Spannungs-Dehnungsdiagramme. Dabei wird für jede SpannungSpannung ist definiert als Kraftniveau, das auf eine Probe mit definiertem Querschnitt aufgebracht wird (Spannung = Kraft/Fläche). Proben mit runden oder rechteckigen Querschnitten können komprimiert oder gestreckt werden. Elastische Materialien, wie Elastomere, können bis um das 5- oder 10-fache ihrer ursprünglichen Länge gedehnt werden.Spannung nach jeweils einer festen Zeit die Dehnung notiert und in das Diagramm eingetragen. Da in dieser Versuchsreihe an einer Probe verschiedene Lasten anliegen, bezieht sich die Dehnung dabei jeweils auf den Zustand direkt vor dem Lastsprung. Diese Darstellung ist besonders für die Auslegung von Bauteilen von Interesse, weil hier völlig analog zum klassischen Spannungs-Dehnungsdiagramm für eine gegebene Belastung die resultierende Dehnung abgelesen werden kann. Typischerweise interessieren die Dehnungen auch nach wesentlich längeren Zeiten, als sie hier aufgenommen wurden. Wie oben gesehen, dominiert für längere Zeiten vor allem das viskose Verhalten, weshalb darauf später detaillierter eingegangen wird.
Als weitere typische Darstellung beschreibt DIN ISO 899 den zeitabhängigen Kriechmodul (Abbildungen 3 c und d. Häufig wird anstatt dessen auch der Kehrwert des Moduls, also die Kriechnachgiebigkeit oder Compliance verwendet, hier wird in Anlehnung an die Norm jedoch der Kriechmodul dargestellt. Die Darstellung des Kriechmoduls ist besonders geeignet, um die Nicht- linearität des Materials zu untersuchen. Es wird deutlich, dass höhere Spannungen generell zu einem niedrigeren Kriechmodul und somit zu einer höheren Nachgiebigkeit führen.
Beschreibung der Kriechraten nach Eyring
Das Kriechen von Polymeren wird häufig mit dem rheologischen Vier-Parametermodell (Abbildung 4) beschrieben. Das Modell besteht aus einem in Serie geschalteten Feder- und Dämpferelement (Maxwell Element). Mit der Feder kann ein sofort eintretender Dehnungssprung und mit dem Dämpfer das viskose Fließen abgebildet werden. Das viskoelastische Verhalten wird durch das parallele Feder-Dämpferelement beschrieben. Für jedes zuvor durchgeführte Creep Recovery-Experiment kann also ein entsprechendes Modell identifiziert werden.
Wie oben dargestellt, wird der für das langfriste Kriechen relevante, viskoplastische Anteil vor allem durch das viskose Fließen hervorgerufen. Die Abhängigkeit des viskosen Fließens von Temperatur und Spannung kann modellgestützt aus den Wahrscheinlichkeiten abgeleitet werden, dass ein Molekül ein gewisses Hindernis überwindet. Details dazu finden sich beispielsweise bei [2]. Hier wird als Ergebnis angegeben, dass nach diesem Modell das Verhältnis von Spannung und Temperatur linear vom Logarithmus der Dehngeschwindigkeit abhängt. Entsprechend führt eine Spannungszunahme zu einem exponentiellen Anstieg der Dehnrate.
In Abbildung 5 sind die für die jeweiligen Spannungen ermittelten Dehnraten eingetragen. Neben den bereits oben dargestellten Messungen wurde das Experiment zusätzlich bei 110 °C durchgeführt. Bei 50 °C wird das Verhalten zwischen Dehnrate und Spannung sehr gut durch das Modell beschrieben, es besteht also ein weitgehend linearer Zusammenhang zwischen Spannung und logarithmischer Dehnrate. Bei höheren Temperaturen und Spannungen werden noch weitere molekulare Prozesse möglich, die dann zu einem Knick in der logarithmischen Dehnrate führen.
Im Eyring-Plot [1] wird für jede Temperatur eine eigene Linie eingetragen. Insofern erlaubt die Darstellung die Extrapolation der Dehnrate für andere Spannungen. Es sollte darauf hingewiesen werden, dass es auch weitergehende Ansätze gibt, um eine zusätzliche Zeit-Temperatur-Superposition einzubeziehen, siehe hierzu z.B. [3].
Fazit
Das Kriechverhalten ist stark von der Temperatur und dem Belastungsniveau abhängig. Während die elastischen Kriechanteile auch bei kleineren Kräften gemessen werden können, treten in vielen Anwendungen größere Kräfte und Spannungen auf. Der DMA GABO Eplexor® ermöglicht die Charakterisierung des lastabhängigen, plastischen Kriechens in vielen praktisch relevanten Fälle. Dabei zeigt sich, dass das langfristige Kriechverhalten vor allem durch das viskose Fließen des Polymers bestimmt wird. Genau diese Abhängigkeit der Dehnrate von der wirkenden Spannung kann anschaulich in einem Eyring-Plot dargestellt werden.