Rissfortschritt - Strain Hardening (ESC, SCG)

ISO 18488, ISO 18489

Straín Hardening ESC, SCG nach ISO 18488 und ISO 18489

Methoden zur Charakterisierung des langsamen Rissfortschritts

Rohre aus Polyethylen, wie PE80, PE100 oder dem verbesserten PE100RC zeigen eine unterschiedlich ausgeprägte Empfindlichkeit auf langsames Risswachstum. Zur Beschreibung dieses Verhaltens wird der Begriff des „Environmental Stress Cracking“, ESC oder „Slow Crack Growth“, SCG, verwendet. Ein solches Versagen findet bereits weit unterhalb der Streckspannung des Werkstoffs statt und ist deswegen für die Langzeitbeurteilung der mechanischen Eigenschaften von enormer Bedeutung.

In der Rissfront zeigen sich dabei sogenannte Fibrillen, die unter Belastung zeitabhängig versagen. Um diesen Mechanismus zu charakterisieren sind eine Reihe von Prüfungen entstanden. Dazu zählen unter anderem:

  • Zeitstandversuche mit konstantem Innendruck, ISO 1167, ISO 9080
  • Slow crack growth on notched pipes, ISO 13479
  • Full Notch Creep Test (FNCT), ISO 16770
  • Polyethylene Notch Tensile (PENT) Test, ASTM F 1473, ISO 16241
  • Bent strip ESCR test, ASTM D 1693
  • Cone test method, ISO 13480

Zur definierten Beschleunigung wird die Prüfung mit einer scharfen Anfangskerbe, unter erhöhter Temperatur und in einer beschleunigend wirkenden Flüssigkeit, üblicherweise  Igepal® CO-630 durchgeführt.

Neuere Forschungen haben weitere Prüfverfahren hervorgebracht, die bereits mit sehr kurzer Prüfdauer eine gute Abschätzung der SCG-Eigenschaft erlauben. Diese Prüfmethoden bedeuten für die Anwender eine erhebliche Reduzierung des Prüfaufwands und schnell verfügbare Messergebnisse.

Hierzu sind in 2015 folgende Normen veröffentlicht worden: 

  • ISO 18488 Polyethylene (PE) materials for piping systems -- Determination of Strain Hardening Modulus in relation to slow crack growth
  • ISO 18489 Polyethylene (PE) materials for piping systems -- Determination of resistance to slow crack growth under cyclic loading -- Cracked Round Bar test method

Bestimmung des Strain Hardening Moduls nach ISO 18488

Als Probenform wird für diese Prüfmethode ein kleiner Schulterstab mit relativ breiter Schulter eingesetzt, der unter Zugbeanspruchung gemessen wird. Die Messung des Strain Hardening Moduls findet bei PE bei einer Temperatur von 80°C und einem Verformungsverhältinis λ zwischen 8 und 12 statt. Dies entspricht einem Dehnungsintervall von 400 % zwischen den Dehnungspunkten 700% und 1100 %. In diesem Bereich ist das Polymer bereits vollständig verstreckt, so dass das Verformungsverhalten der Fibrillen messbar wird. Im Diagramm der wahren Spannung über der Neo-Hookschen Dehnung (λ² - 1/λ) ergibt sich für PE ein nahezu linearer Verlauf. Dieser Verlauf wird mit einer Geradengleichung in der Form σ true = Gp (λ² - 1/λ) +C  beschrieben. Gp ist hier der Steigungsfaktor der Geraden. 
ISO 18488Strain HardeningScreenshot neu

Passende Produkte 

Zur Messung des Strain hardening Moduls nach ISO 18488 wird eine elektromechanische Prüfmaschine, zum Beispiel in folgender Ausstattung benötigt:

  • Prüfmaschine Z005 AllroundLine oder größer
  • Temperierkammer, die eine Zugbewegung der Klemmen von mindestens 360 mm erlaubt
  • Mechanisches oder optisches Längenänderungs-Messsystem, z.B. ZwickRoell videoXtens
  • Parallel spannende Probenhalter, z.B. Pneumatische Parallel-ProbenhaltertestXpert Standard-Prüfvorschrift nach ISO 18488 mit Anzeige von „wahrer Spannung“ über Neo-Hookscher Dehnung, sowie „wahre Spannung“ über das Verformungsverhältnis, λ und der Berechnung von GP, und Kontrolle des Regressionskoeffizienten, r

Bestimmung des Widerstands gegen langsames Risswachstum unter zyklischer Beanspruchung, nach ISO 18489

Bei diesem Verfahren kommt ein zylindrischer Prüfkörper zum Einsatz in den eine umlaufende Anfangskerbe eingebracht wurde. Dieser Probekörper wird mit einer zyklischen Beanspruchung mit konstanter Kraftamplitude belastet. Die Kraftamplitude wird dabei so gewählt, dass ein langsames Risswachstum möglich ist.

Das Messergebnis ist die Zyklenzahl bis zum Versagen des Probekörpers, die als Funktion der aufgebrachten Spannung Δσ0 bei der Anfangsrisslänge aufgezeichnet wird.

Proben zur Bestimmung des Widerstands gegen langsames Risswachstum unter zyklischer Beanspruchung, nach ISO 18489

Bild rechts: Zylindrischer Probekörper aus PE100 mit umlaufender Kerbe

Mit dem neuen Prüfverfahren nach ISO 18489 wird die Prüfdauer auf ein Minimum reduziert. Dies ist vor allem auf die Höhe der zyklischen Belastung in Abhängigkeit von der Probengeometrie zurückzuführen. Ein weiterer Vorteil diese Prüfverfahrens ist, dass es unter Raumtemperatur durchgeführt werden kann, sodass die Polymerstruktur der Probe erhalten bleibt.


Passende Produkte:

Für die Prüfung nach ISO 18489 hat ZwickRoell die Prüfmaschine LTM mit patentierter linearer Antriebstechnologie und kraftgeregelten pneumatischen Probenhaltern entwickelt.

  • Die Beanspruchungszyklen werden exakt und gleichmäßig aufgebracht. Neben der Kraftregelung sind andere Regelmodi möglich, z.B. Spitzenwertregelung, Kolbenwegregelung oder direkt
  • Dehnungsregelung über ein angeschlossenes Extensometer.
  • Die kraftgeregelten Probenhalter schließen ein Überlasten der Probe während des Spannvorgangs zuverlässig aus.
  • Der verschleißfreie Antrieb und die geringe Stromaufnahme sorgen für niedrige laufende Betriebskosten.
  • Die Prüfsoftware testXpert III steuert den gesamten Prüfablauf und stellt die Ergebnisse in übersichtlicher und exportierbarer Form zur Verfügung.

Damit ist die LTM von ZwickRoell optimal geeignet für die effiziente Prüfung des Widerstands gegen langsame Rissfortschritts gemäß ISO 18489.

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