DGZfP-JAHRESTAGUNG 2001 Zerstörungsfreie Materialprüfung

ZfP in Anwendung, Entwicklung und Forschung Berlin, 21.-23. Mai 2001 -Berichtsband 75-CD

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Beiträge: Vorträge: Nichtmetalle - Polymere:

Einfluss der lokalen Dehnungsregelung im Zugversuch auf das Relaxations- und Schädigungsverhalten von Polyamiden bei simultaner Anwendung von Laserextensometrie und Schallemissionsprüfung

T. Fahnert, C. Bierögel, W. Grellmann
Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg
Fachbereich Ingenieurwissenschaften, Institut für Werkstoffwissenschaft

Abstract

Influence of the Local Strain Closed-Loop Control in Tensile Test on Relaxation and Deformation Behaviour of Polyamide using Laser Extensometry and Acoustic Emission Analysis Simultaneously.

Acoustic emission analysis is a well-known volume sensitive technique suitable for analysing the damage mechanisms and kinetics in reinforced and filled plastics, whereas laser- extensometry describes the local surface strain as an image of the inner defect and failure processes. Although the combination of both of these testing techniques permits the determination of local material parameters and a temporal damage assignment, in conventional tensile testing it is problematic, because temporally and locally different relaxation conditions arise due to the heterogeneous and aelotropic material and load state. These effects can be compensated only insufficiently even by an integral strain control. The application of local strain control due to the location of the maximum specimen strain leads within the failure relevant specimen section to nearly constant deformation and relaxation conditions and yields in combination with acoustic emission testing a damage kinetics much more according to real stress situations. For different reinforced polyamide materials with varying orientations and contents of glass fibres the deformation and damage behaviour will be shown and practical effects for different strain control algorithms will be discussed and evaluated.

Einführung

Durch den zunehmenden Einsatz von Kunststoffen, speziell von Polyamidverbundwerkstoffen, in konstruktiven und anderen technischen Bereichen, die aufgrund einer großen Variationsbreite hinsichtlich Füllung und Verstärkung über eine große Eigenschaftsvielfalt verfügen, gewinnt die praxisgerechte Prüfung und eignungsrelevante Bewertung dieser Materialien immer mehr an Bedeutung. Unter dem Blickpunkt einer konsequenten Leichtbauweise bei gleichzeitiger Erhöhung der Lebensdauer und Zuverlässigkeit werden in der Kunststoffprüfung und -diagnostik zur Erhöhung des Aussagegehalts konventioneller Werkstoffkennwerte simultan zur mechanischen Belastung zerstörungsfreie Prüfverfahren, auch als hybride Prüfmethoden bezeichnet, eingesetzt. Zwei dieser Verfahren, die Laserextensometrie und die Schallemissionsprüfung, sollen hier anhand von Ergebnissen der Untersuchung von Polyamiden vorgestellt und ihre Aussagefähigkeit dargestellt werden. Durch simultanen Einsatz dieser beiden Verfahren ist es möglich, sich ergänzende Aussagen zum Dehnungsverhalten und zu Schädigungsmechanismen bei mechanischer Belastung zu gewinnen, die mit konventionellen Techniken nicht erreicht werden können. Weiterhin bietet die Laserextensometrie die Möglichkeit, die Messdaten über den lokalen Dehnungszustand im Werkstoff in Echtzeit zur Regelung des Zugversuches zu verwenden, um so die Definiertheit und Praxisrelevanz der Versuchsbedingungen und damit die Aussagefähigkeit der ermittelten Werkstoffkennwerte zu verbessern.

Messverfahren

Laserextensometrie
Der konventionelle Zugversuch ist auch heute eine der wesentlichsten Techniken zur Prüfung des mechanischen Werkstoffverhaltens. Jedoch lassen sich im konventionellen Zugversuch nur integrale Daten über den aktuellen Dehnungszustand des Prüfkörpers gewinnen, während der Dehnungszustand über die Prüfkörperlänge aber lokal variabel ist. Damit ist es nicht möglich, im konventionellen Zugversuch Einblicke in die lokal ablaufenden Dehnungs- und Schädigungsvorgänge zu erhalten.

Durch Einsatz der Laserextensometrie gelingt es, die lokale Dehnungsverteilung zu bestimmen und so die Unterschiede im lokalen Dehnungsverhalten des Prüfkörpers festzustellen. Daraus lassen sich dann Rückschlüsse auf die Mechanismen ziehen, die zu einer Schädigung und schließlich zum Versagen eines Werkstoffes führen. Bei der Laserextensometrie wird die Oberfläche eines Prüfkörpers mittels eines Lasers, der über eine Ablenkeinrichtung gesteuert wird, in Längsrichtung abgescannt (Bild 1). Auf die Oberfläche des Prüfkörpers wurden zuvor alternierend helle und dunkle Markierungen aufgebracht. Die hellen Markierungen reflektieren das Licht des Lasers diffus in einen Sensor, mit dessen Hilfe so die aktuelle Breite der Markierungen und damit die lokalen Dehnungen des Prüfkörpers gemessen werden können.

Bild 1: Laserextensometer, Prinzipskizze

Bild 2: Parallelscanner, Messprinzip

Zur Durchführung der Messungen wurde ein Parallelscanner (Bild 2) der Firma Fiedler Optoelektronik GmbH, Lützen verwendet. Er erreicht bei einer Laserleistung von 4 bis 6 mW und einer Messlänge von etwa 60 mm eine optische Auflösung von besser als 0,1 µm. Als Ablenkeinrichtung enthält er ein rotierendes Prisma, das einen parallelen Strahlenverlauf erzeugt. Dabei ist die Messlänge unabhängig vom Objektabstand, ein Nachteil, der durch die hohe Genauigkeit im Vergleich zu Winkelscannern wieder aufgehoben wird, bei denen ein Drehspiegel als Ablenkeinrichtung Verwendung findet.

Schallemissionsprüfung
Bei mechanischer Beanspruchung von Werkstoffen entstehen infolge der Erzeugung struktureller Defekte Schallereignisse, die bezüglich ihrer Häufigkeit, Energie, Frequenz, Dauer, Gestalt und Verteilung für die Art dieser Defekte und den Entstehungsmechanismus charakteristisch sind. Diese Schallereignisse können mit einem einzelnen Sensor oder zur Ortung der Position ihres Auftretens mit mehreren Sensoren aufgezeichnet und für die Bewertung der Schädigungskinetik herangezogen werden. Dazu wird ein akustischer Sensor mit Hilfe eines Schallkopplungsmediums am Prüfkörper angebracht, um den akustischen Widerstand möglichst gering zu halten. Der Sensor muss außerhalb des Messfeldes des Laserextensometers am Prüfkörper angebracht werden, um unerwünschte Beeinflussungen des Spannungsfeldes auszuschließen, die sich durch eine scheinbare Querschnittsvergrößerung des Prüfkörpers ergeben. Die vom Sensor detektierten Schallereignisse sind sehr niederenergetisch und müssen daher über einen Vorverstärker geleitet werden, um sie dann über beliebige Entfernungen an eine Mess- und Auswertungseinheit übertragen zu können, in der sie aufgezeichnet werden (Bild 3a).

Bild 3: Schallemissionsprüfung, Prinzipskizze (a) und Foto (b)

Für die hier vorgestellten Untersuchungen wurde ein AMSY-4 Messsystem (Bild 3b) der Firma Vallen-Systeme GmbH, Icking verwendet. Es verfügt über zwei Schallmesskanäle und zwei Eingänge für externe Parameter, so dass es neben der Aufzeichnung der akustischen Signale auch die Aufnahme der Kraft- und Wegparameter von der Zugprüfmaschine ermöglicht. Durch Integration von Messhardware und Computer bietet es breite Möglichkeiten zur softwarebasierten Parametereinstellung, die es erlauben, das Messsystem an die spezielle Messaufgabe optimal anzupassen. So kann im Idealfall das Rauschen auf unter 310 µVpk bei ±5 V begrenzt werden. Ein weiterer Vorteil dieser Integration besteht darin, dass die Messdaten bereits während der Messung in Echtzeit dargestellt und so der Verlauf der Messung beobachtet und bewertet werden kann. Die zugehörige Auswertungssoftware bietet eine große Breite an Darstellungs- und Bearbeitungsmöglichkeiten, so dass die aufgezeichneten Messergebnisse entsprechend der gewünschten Aussagefähigkeit aufbereitet und ausgewertet werden können.

Lokale Dehnungsregelung
Ziel bei jeder Werkstoffprüftechnik ist es, möglichst definierte Messbedingungen zu gewährleisten, um reproduzierbare und aussagekräftige Werkstoffkennwerte zu erhalten. Beim Zugversuch betrifft das in erster Linie die Relaxationsbedingungen, die einen entscheidenden Einfluss auf das Dehnungs- und Schädigungsverhalten eines Werkstoffes unter mechanischer Belastung ausüben, und die unmittelbar von der Dehngeschwindigkeit abhängen. Die Dehngeschwindigkeit wird beim konventionellen Zugversuch integral durch die Zugprüfmaschine vorgegeben. Ein Blick auf die lokale Verteilung der Dehngeschwindigkeit zu verschiedenen Zeitpunkten (Bild 4a) zeigt jedoch deutliche Unterschiede der lokalen Dehngeschwindigkeiten zur integralen, wobei sowohl sehr starke Abweichungen zu höheren Werten, als auch zu niedrigeren bis zu negativen Werten möglich sind, die einer partiellen Kontraktion entsprechen. Die Inhomogenität der lokalen Dehngeschwindigkeiten zeigt deutlich, dass beim konventionellen Zugversuch lokal nicht von definierten Bedingungen ausgegangen werden kann. Die lokalen Unterschiede in den Relaxationsbedingungen führen dazu, dass die ermittelten lokalen Werkstoffkennwerte eigentlich nicht miteinander vergleichbar sind, da sie unter unterschiedlichen Prüfbedingungen ermittelt werden.

Im zeitlichen Verlauf (Bild 4b) zeigt sich überdies, dass die lokalen Dehngeschwindigkeiten nicht ortskonstant sind und teilweise großen Veränderungen am gleichen Ort unterliegen. Damit sind selbst die für des selben Bereich zu verschiedenen Zeitpunkten gemessenen Werte nicht mehr vergleichbar.

(a)	(b)
Bild 4: Orts- (a) und Zeitabhängigkeit (b) der lokalen Dehngeschwindigkeit für ausgewählte Zeiten bei PA6, gespritzt, 10 M.-% Glasfaseranteil

Um vergleichbare Werte ermitteln zu können, ist es erforderlich, die Relaxationsbedingungen auf einen begrenzten, definierten Bereich zu beschränken. Dazu wurde die Methode der lokalen Dehnungsregelung gewählt. Dabei werden die vom Laserextensometer aus dem lokalen Deformationsfeld des Prüfkörpers ermittelten Dehnungsmessdaten verwendet, um eine Führungsgröße zur Regelung der Zuggeschwindigkeit für die Zugprüfmaschine zu erhalten (Bild 5).

Bild 5: Dehnungsregelung, Prinzipskizze

Durch hardwareseitige Kopplung mit der Zugprüfmaschine Zwick Z020 und eine entsprechende softwareseitige Erweiterung der Steuersoftware ist es möglich, die Messergebisse des Laserextensometers in Echtzeit auszuwerten und als Regelparameter für die Zugprüfmaschine einzusetzen. Die dabei bestehenden hohen Anforderungen bezüglich zeitkritischer Signalverarbeitung stellen dabei die größte Schwierigkeit dar, weil der lokale Dehnungszustand sehr starken und schnellen zeitlichen Fluktuationen unterworfen ist. Beim ungeregelten Zugversuch (Bild 6a) erfolgt die Steuerung des Versuchsablaufes integral durch die Zugprüfmaschine, indem die gesamte Einspannlänge als Steuerparameter wirkt. Darin eingeschlossen sind auch nichtrelevante Prüfkörperbereiche, die vom Lasersystem nicht erfasst werden, sowie systematische Fehler, die durch das Messsystem selbst oder durch ein Rutschen des Prüfkörpers in der Einspannung verursacht werden. Wird hingegen die tatsächlich vom Lasersystem gemessene Dehnung als Regelgröße für die Prüfgeschwindigkeit verwendet (Bild 6b), werden sowohl alle nichtrelevanten Prüfkörperbereiche ausgeschlossen, als auch die von der Mechanik der Zugprüfmaschine verursachten systematischen Fehler vermieden.

Dehnungsregelung


Bild 6: Regelalgorithmen der lokalen Dehnungsregelung

Durch die Verwendung der maximalen Dehnung, die aktuell in einem Bereich des Prüfkörpers auftritt, als Regelgröße (Bild 6c) gelingt es, die lokale Dehngeschwindigkeit auf einen definierten Maximalwert zu begrenzen und damit die Relaxationsbedingungen innerhalb eines definierten Rahmens zu fixieren. Dabei wirkt jeweils der Bereich mit der maximalen lokalen Dehngeschwindigkeit und damit mit den schlechtesten Relaxationsbedingungen als Referenzbereich.

Umgekehrt lässt sich auch der Bereich der minimalen lokalen Dehnung (Bild 6d) zur Regelung des Prüfsystems einsetzen. Hierbei werden die lokale Dehngeschwindigkeit und die Relaxationsbedingungen jedoch nur nach unten hin begrenzt, während nach oben weiterhin keine Beschränkung vorhanden ist. Daher ist mit diesem Regelmechanismus auch keine Verbesserung der Aussagekraft zu erhalten.

Werkstoffe

Die Untersuchungen wurden an Prüfkörpern aus Polyamid mit einem Anteil von 0M.-%, 10M.-%, 20M.-% und 30M.-% Kurzglasfasern durchgeführt. Zur Ermittlung der Aussagefähigkeit der Messmethoden wurden Prüfkörper nach unterschiedlichen Herstellungsvarianten verwendet, zum einen quer bzw. längs der Spritzrichtung aus einer Platte gefräst, zum anderen direkt im Spritzguss hergestellt. Durch die unterschiedliche Orientierung der Glasfasern in den nach verschiedenen Methoden hergestellten Prüfkörpern sollte ermittelt werden, inwiefern sich strukturelle Unterschiede in den Messergebnissen widerspiegeln und welchen Beitrag die verwendeten Messmethoden zur Aufklärung der Deformations- und Schädigungsmechanismen leisten können.

Ergebnisse

Lokale Dehnungsverteilung
Erhält man im konventionellen Zugversuch den zeitlichen Verlauf der integralen Dehnung, so werden mittels der Laserextensometrie lokale Dehnungswerte bestimmt, die dreidimensional als Dehnungsverteilung dargestellt werden können (Bild 7a). Dabei lassen sich deutlich die Unterschiede im lokalen Dehnungsverhalten der einzelnen Prüfkörperbereiche erkennen. Insbesondere wird deutlich, dass die Bereiche minimaler (rot) bzw. maximaler (blau) Dehnung nicht ortsstabil sind, sondern im Verlauf des Versuches durchaus sehr unterschiedliche Bereiche des Prüfkörpers betreffen können. Im vorliegenden Beispiel zeigt sich erst gegen Ende des Versuches die Herausbildung einer ortsstabilen Zone maximaler Dehnung, an der auch letztlich das Versagen des Werkstoffes statt fand.

Bild 7: Lokale Dehnungsverteilung (a) und mechanische Heterogenität (b) für PA6, 20 M.-% Glasfaseranteil

Die dreidimensionale Darstellung der lokalen Dehnungsverteilung im zeitlichen Verlauf vermittelt einen recht guten Überblick über das ortsaufgelöste Dehnungsverhalten eines Werkstoffes. Jedoch ist eine solche Vielzahl von Werten in einer derart komplexen Darstellung wenig geeignet, um Werkstoffe auf einfache Art miteinander vergleichen zu können. Daher war es wünschenswert, die ermittelten Ergebnisse in eine möglichst einfache, übersichtliche Form, möglichst in eine einzelne Größe zu überführen, die aber trotzdem die lokale Varianz der Dehnungen widerspiegelt. Dafür wurde die Größe der mechanischen Heterogenität definiert die sich aus der Differenz der maximalen und der minimalen Dehnung, normiert auf die integrale Dehnung, ergibt.



Die Heterogenität kann sowohl als zeitliche Funktion dargestellt (Bild 7b), als auch als einzelner Werkstoffkennwert an einer definierten Position angegeben werden, beispielsweise als Bruchheterogenität zum Zeitpunkt des Werkstoffversagens. Damit gelingt es, die mittels der Laserextensometrie ermittelten Daten über die lokale Dehnungsverteilung in einer leicht handhabbaren und aussagekräftigen Form auszudrücken.

Schallemissionen
Die Analyse der an auf verschiedene Art präparierten Prüfkörpern aufgenommenen akustischen Emissionen zeigt sowohl bei längs gefrästen als auch bei gespritzten Prüfkörpern mit einem Glasfaseranteil von 10% eine trimodale Verteilung der Energie der Schallereignisse im zeitlichen Verlauf (Bild 8b, c). Zu Beginn des Zugversuches dehnen sich die Werkstoffe linearelastisch. Da dabei keine Schädigungen im Werkstoff hervorgerufen werden, kommt es hier auch noch nicht zu akustischen Ereignissen. Mit dem Einsatz der plastischen Deformation ist auch ein Onset akustischer Ereignisse zu verzeichnen, der das Auftreten struktureller Schädigungen anzeigt. Hierbei entsteht ein relativ schmales und hochenergetisches Energieband, das durch eine Ablösung der Glasfasern vom Matrixmaterial (Debonding) verursacht wird. Anschließend erfolgt durch die zunehmende Dehnung eine Ausrichtung der Glasfasern in Zugrichtung, was zum Auftreten eines zweiten, wesentlich niederenergetischeren und diffuseren Energiebandes führt. Im Verlauf der weiteren Aufdehnung des Matrixmaterials kommt es schließlich zum Pull-out der Glasfasern aus den Faserkanälen. Durch die Reibung der Glasfasern am Matrixmaterial im Faserkanal entstehen wieder Schallereignisse relativ hoher Energie, wobei sich das entsprechende Energieband jedoch über einen wesentlich größeren Bereich erstreckt. Mit zunehmender Dehnung nimmt die Energie der Pull-out-Emissionen dann wieder ab, bis es zum Werkstoffversagen kommt.

a) quer gefräst	b) längs gefräst	c) gespritzt
Bild 8: SEA-Energie-Zeit-Diagramme von PA6-Prüfkörpern mit 10 M.-% Glasfasern

Auch bei quer gefrästen Prüfkörpern (Bild 8a) zeigt sich zu Beginn ein emissionsfreier Bereich, der das linear-elastische Verhalten charakterisiert. Und auch hier kommt es danach zum Debonding der Glasfasern, wobei die zugehörigen akustischen Ereignisse jedoch wesentlich energiereicher sind, da die Glasfasern diesmal im Mittel quer zur Zugrichtung orientiert sind und daher großflächig vom Matrixmaterial abreißen. Das Orientierungsband ist fast mit dem Debondigband verschmolzen, wohingegen das Pull-out-Pand völlig verschwunden ist, da bei quer zur Zugrichtung orientierten Glasfasern kein Pull-out auftreten kann. Die Schallemissionsanalyse ist also in der Lage, wesentliche Informationen über die Schädigungskinetik im Werkstoff zu liefern, die zur Aufklärung der auftretenden Schädigungsmechanismen genutzt werden können.

Dehnungsregelung
Vergleicht man die Ergebnisse der Laserextensometrie des ungeregelten (Bild 9a) mit dem integral geregelten Versuch (Bild 9b), so lässt sich weder bei den ermittelten integralen Werkstoffkennwerten noch beim Verlauf der Heterogenität ein signifikanter Unterschied feststellen. Da der Übergang zur integralen Dehnungsregelung lediglich irrelevante Prüfkörperbereiche ausschließt und systematische Fehler minimiert, entspricht dies auch völlig den Erwartungen. Ebenso ergeben sich keine wesentlichen Änderungen bei der Regelung nach dem lokalen Dehnungsminimum (Bild 9c), was infolge der unverändert undefinierten Relaxationsbedingungen ebenfalls verständlich ist. Demgegenüber zeigt sich jedoch bei der Regelung nach dem lokalen Dehnungsmaximum (Bild 9d) eine deutliche Veränderung sowohl des qualitativen als auch des quantitativen Dehnungsverhaltens. Deshalb sollen im Folgenden hier nur der integral geregelte und der nach dem lokalen Dehnungsmaximum geregelte Versuch im Vergleich betrachtet werden.

a) konventionell	b) integral geregelt
c) lokales Minimum	d) lokales Maximum
Bild 9: Heterogenität von PA6 mit 10 M.-% Glasfaseranteil für verschiedene Regelalgorithmen

Beim integral geregelten Versuch ergibt sich eine relativ gleichmäßige lokalen Dehnungsverteilung und es kommt dort schon bei relativ geringen Dehnungen zum Bruch (Bild 10a). Bei der Regelung nach dem lokalen Dehnungsmaximum (Bild 10b) tritt zu Beginn ebenfalls eine relativ undifferenzierte Dehnungsverteilung auf. Sobald jedoch ein Bereich des Prüfkörpers seine Streckgrenze erreicht hat, wird dieser Bereich förmlich aus dem Material herausgedehnt, während die anderen Bereiche auf dessen Kosten relaxieren und nur noch geringe Beiträge zur integralen Dehnung liefern. Schließlich kommt es im Bereich der maximalen lokalen Dehnung zum Bruch, wobei hier jedoch etwa die dreifache lokale Dehnung erreicht wird, wie beim integral geregelten Versuch.

a) integral geregelt	b) lokales Maximum
Bild 10: lokale Dehnung von PA6 mit 20 M.-% Glasfaseranteil für integrale Regelung (a) und Regelung nach dem lokalen Dehnungsmaximum (b)

Die Auswertung der akustischen Emissionen zeigt im Fall der integralen Dehnungsregelung wieder das bereits bekannte Bild aus Debonding-Band und Pull-out-Band (Bild 11a). Das Orientierungsband ist ebenfalls vorhanden, wird aber teilweise durch die anderen beiden Mechanismen überdeckt. Auch bei der Regelung nach dem lokalen Dehnungsmaximum (Bild 11b) zeigen sich zu Beginn Debonding-Vorgänge. Das Pull-out-Band schließt jedoch unmittelbar an das Debondig-Band an, während auch nach dem Einsatz des Pull-out noch weitere Debonding-Emissionen zu beobachten sind, so dass sich in der ersten Hälfte des zeitlichen Verlaufes ein breites Plateau gleicher Intensität der Anzahl der akustischen Ereignisse ergibt. Das deutet darauf hin, dass mit dem Erreichen der Streckgrenze des Bereiches mit der maximalen Dehnung die Schädigung im Wesentlichen auf diesen Bereich begrenzt ist, während die anderen Prüfkörperbereiche erst später Debonding-Schädigungen aufweisen, während dort fast kein Pull-out erfolgt. Das bestätigt auch die fast lineare Abnahme der Energie der Schallereignisse ab dem Maximum des Debonding kurz nach dem akustischen Onset.

Bild 11: Anzahl und Energie der Schallereignisse bei PA6 mit 10 M.-% Glasfaseranteil für integrale Regelung (a) und Regelung nach dem lokalen Dehnungsmaximum (b)

Ein Vergleich der Amplitudenverteilung der Anzahl der Schallereignisse für beide Regelalgorithmen zeigt jedoch keinerlei Unterschiede (Bild 12). Die in beiden Fällen auftretenden physikalischen Schädigungsmechanismen sind also völlig identisch, nur ihre zeitliche Abfolge und ihre Ortsabhängigkeit werden durch die Veränderung der Messbedingungen beeinflusst. Dies beweist, dass die lokale Dehnungsregelung erlaubt, die physikalischen Vorgänge bei der Dehnung genauer zu untersuchen, ohne sie jedoch grundsätzlich zu ändern.

Bild 12: Verteilung der Anzahl der Schallereignisse über die Amplitude bei PA6 mit 10 M.-% Glasfaseranteil für integrale Regelung (a) und Regelung nach dem lokalen Dehnungsmaximum (b)

Die Heterogenität (Bild 13) zeigt in beiden Fällen zu Beginn außerordentlich hohe Werte (Zone I), die darauf zurückzuführen sind, dass hier die gemessenen Dehnungswerte noch innerhalb der Messunsicherheit liegen, wodurch es bei der Berechnung der Heterogenität zu Divisionen durch Zahlen nahe Null kommt. Es handelt sich hierbei also nicht um tatsächliche werkstoffcharakteristische Werte, sondern um Artefakte der Messmethode. Sobald endliche Dehnungswerte erreicht sind (Zone II), zeigt sich ein konstanter Heterogenitätsverlauf. Dies charakterisiert den Bereich der linear-elastischen Dehnung, in dem sich die verschiedenen Bereiche des Werkstoffes entsprechend dem Verhältnis ihrer lokalen E-Moduli gleichförmig dehnen. Dem schließt sich ein Abschnitt an, in dem sich der Übergang zur plastischen Deformation und damit zur nichtlinearen Dehnung vollzieht. Nach einem kurzen Anstieg sinkt die Heterogenität dabei infolge der Änderung der lokalen Nachgiebigkeiten der stärker gedehnten Bereiche ab, während die weniger gedehnten Bereiche aufgrund der besseren Relaxationsmöglichkeiten etwas aufholen.

Bild 13: Kraft-Zeit- und Heterogenität-Zeit-Diagramme von PA6 mit 10 M.-% Glasfaseranteil für integrale Regelung (a) und Regelung nach dem lokalen Dehnungsmaximum (b)

Im Falle der Regelung nach dem lokalen Dehnungsmaximum ist Zone III deutlich schmaler, und daran schließt sich ein Abschnitt an, in dem sich deutliche Unterschiede im Verhalten zum integral geregelten Versuch zeigen. Beim integral geregelten Versuch bleibt die Heterogenität nach Erreichen der Streckgrenze konstant (Zone IVa), weil alle Bereiche entsprechend ihrer lokalen Nachgiebigkeiten äquivalent gedehnt werden. Erst nach Erreichen des Spannungsmaximums steigt die Heterogenität durch den Anstieg der lokalen Nachgiebigkeit an der Stelle des lokalen Dehnungsmaximums wieder an (Zone IVb), bis es dort schließlich zum Bruch kommt. Die lokale Dehnungsregelung führt hingegen dazu, dass die Heterogenität unmittelbar nach Erreichen der Streckgrenze an der Stelle des lokalen Dehnungsmaximums ansteigt (Zone IV), da sich deren Nachgiebigkeit stark erhöht, während die anderen Prüfkörperbereiche auf Kosten des maximal gedehnten Bereiches relaxieren können und so selbst kaum noch Beiträge zur integralen Dehnung liefern. Erst wenn andere lokale Bereiche ebenfalls die Streckgrenze erreicht haben, bleibt die Heterogenität wieder konstant (Zone V), weil sich die verschiedenen Bereiche nun wieder entsprechend ihrer lokalen Nachgiebigkeiten gleichförmig aufdehnen. Zone V ist jedoch oftmals nicht beobachtbar, da es vor allem bei spröderen Kunststoffen bereits vorher, innerhalb Zone IV, zum Bruch kommt.

Zusammenfassung

Die Eignung der Laserextensometrie als Methode zur Untersuchung und Bewertung des lokalen Werkstoffverhaltens konnte mit den erhaltenen Ergebnissen überzeugend nachgewiesen werden. Dabei erwies sich die mechanische Heterogenität als aussagekräftige Werkstoffkenngröße, die die Quantifizierung der lokalen mechanischen Dehnungs- und Versagenseigenschaften möglich macht. In Verbindung mit der lokalen Dehnungsregelung konnte gezeigt werden, dass die lokalen Relaxationsbedingungen durch Regelung nach dem lokalen Dehnungsmaximum wesentlich verbessert werden, so dass unter derart optimierten Bedingungen praxisrelevantere Werkstoffkennwerte ermittelt werden können. Mit Hilfe der Schallemissionsprüfung konnte ein Ansatz zur Ermittlung und Zuordnung der Schädigungsmechanismen erarbeitet werden. Damit wurde nicht nur die Gültigkeit der unter lokaler Dehnungsregelung ermittelten Ergebnisse der Laserextensometrie bestätigt, sondern es konnten auch weitere Erkenntnisse zur Schädigungskinetik gewonnen werden. Die Ergebnisse der simultanen Anwendung der Laserextensometrie und der Schallemissionsprüfung bei lokaler Dehnungsregelung im Zugversuch zeigen überzeugend die Möglichkeiten, die die Kombination beider Methoden für die Aufklärung des lokalen Dehnungs- und Schädigungsverhaltens hinsichtlich praxisrelevanter Anforderungen an die Kunstofffestigkeit und Schadensresistenz in der Kunststoffprüfung und -diagnostik bietet.

Herausgeber: DGfZP, Programmierung: NDT.net

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