Dem Kriechen auf der Spur

Langfristige Sicherheit für Gummi- und Elastomerbauteile

Strukturveränderungen von Werkstoffen aufgrund hoher mechanischer und thermischer Belastungen können auf Dauer zum kompletten Ausfall des Bauteils führen. Um die maximale Betriebsdauer zu ermitteln, sind daher systematische Versuche zum Kriechverhalten notwendig. Das Unternehmen DTR VMS setzt für die Analyse des Zeitstandverhaltens von Kunststoffen und Polymerwerkstoffen eine Multistation mit bis zu sechs Prüfplätzen ein.

Zugprüfung an Kunststoffe und Elastomeren im feuchten Medium sind typisch zur Ermittlung der Lebensdauer. © ZwickRoell

Werkstoffe verhalten sich unter langanhaltender, statischer Belastung bei erhöhten Temperaturen anders als bei gleicher Belastung unter Raumtemperatur. So kommt es neben der elastischen Dehnung zu einer irreversiblen, plastischen Dehnung. Die Folge sind niedrigere Festigkeitswerte, die letztlich zum Bruch des Bauteils führen können. Dieser Effekt bei einer Beanspruchung unter hohen Temperaturen lässt sich zwar durch gezielte Materialzusammensetzungen verringern, aber nicht verhindern. Bauteile unter Kriechbedingungen haben grundsätzlich eine begrenzte Lebensdauer. Umso wichtiger ist eine umfangreiche und systematische Langzeituntersuchung. Ziel ist die konstruktive Auslegung und die Ermittlung der sogenannten Restlebensdauer von Bauteilen, damit diese zuverlässig ihren Dienst verrichten. Das gilt nicht nur für Metalle, sondern auch für Kunststoffe wie Vibrationsdämpfer, die in der Automobilindustrie unerwünschte Resonanzen aus dem Fahrzeugrahmen filtern.

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Kriechverhalten bestimmen

Ein Unternehmen, das Gummi-Metall-Komponenten für den Einsatz in Motorlager- und Getriebehalterungen sowie Fahrwerkslagern herstellt, ist DTR VMS. Um Gummiformteile unter mechanischer sowie thermischer Belastung zu prüfen, hat die deutsche Niederlassung im German Technical Centre eine elektromechanische Zeitstandprüfmaschine von ZwickRoell im Einsatz. Die Kappa Multistation wurde speziell für die Analyse des Zeitstandverhaltens von Kunststoffen und Polymerwerkstoffen in modernen Entwicklungs- und Versuchslaboren entwickelt und ermöglicht die umfassende Bauteilqualifizierung. Ziel ist die Verbesserung des Fahrkomforts von Fahrzeugprototypen und entwicklungsbegleitenden Modellen.

Die Bestimmung des Kriechverhaltens von Werkstoffen geschieht üblicherweise in Zeitstandversuchen. Im einfachsten Fall wird dabei eine Probe bei erhöhter Temperatur mit konstanter Kraft auf Zug belastet und ihre Verlängerung in Abhängigkeit von der Prüfzeit sowie die Zeit bis zum Probenbruch erfasst. Das Ergebnis ist eine Kriechkurve. In der Anfangsphase der Belastung hat sie zunächst einen degressiven Verlauf (Primäres Kriechen). Dann geht sie in einen Bereich mit konstanter, minimaler Kriechgeschwindigkeit über. Das ist der gesuchte Bereich, der zugleich den größten Anteil der Gesamtlebensdauer einer Probe ausmacht. Danach sinkt der Kriechwiderstand wieder und es kommt zu einer beschleunigten Dehnung, die zu Rissen im Material und schließlich zum Bruch der Probe führt. Aus der Kriechkurve lässt sich für jeden Werkstoff, bei gegebener Temperatur und Belastung, der Zeitraum der gesuchten minimalen Kriechgeschwindigkeit ermitteln. Die Kriechversuche sind in den Normen ISO 899-1 (Zugversuch) und 899-2 (Biegeversuch) sowie in der ASTM D 2990 (Zug und -Biegeversuch) beschrieben.

Individuell geregelte Lastachsen

Die Kappa Multistation von ZwickRoell ist eine elektromechanische Zeitstandprüfmaschine und lässt sich mit bis zu sechs individuell geregelten Lastachsen ausstatten. Die Proben können gleichzeitig in einer Temperierkammer zwischen -70 und 250 °C geprüft werden. Jede Lastachse ist individuell und unabhängig von 20 N bis 10 Kilonewton stufenlos belastbar. Die Prüfgeschwindigkeit reicht von 0,001 mm/h bis 100 mm/min.

Die Dehnungsmessung arbeitet mit den optischen Extensometern Videoxtens von ZwickRoell über ein Sichtfenster mit 4-fach Glas an der Rückseite der Temperierkammer. Jede Lastachse ist mit einem solchen berührungslos messenden Extensometer ausgestattet. Dadurch ist weder das Anbringen von Fühlerarmen notwendig noch gibt es einen Einfluss auf sensible Proben. Die Extensometer sind geeignet für die Messung der Probenlängenänderung bei Zug-, Druck- und Biegeprüfungen an allen Arten von Kunststoffen, Metallen, Gummi, Verbundwerkstoffen sowie Folien. Bei 50 Millimeter Ausgangsmesslänge und einer erwarteten Dehnung von 5 Millimeter erreichen sie eine Auflösung von 0,4 Mikrometer. Verarbeitet werden die Daten mit der Prüfsoftware Testxpert. Sie ermöglicht nicht nur Standardprüfungen, sondern auch beliebig definierbare Prüfabläufe. Dadurch lassen sich Versuche mit flexiblen Belastungen, zum Beispiel konstanten Kraftzunahme-Geschwindigkeiten ebenso durchführen wie mit Last- und Dehnungsblöcken.

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