TY - THES

T1 - Untersuchung von quasi-spröden Schädigungsmechanismen in zyklisch und statisch belasteten Prüfkörpern aus Polyethylen

AU - Bruckmoser, Katharina

N1 - gesperrt bis null

PY - 2010

Y1 - 2010

N2 - Das Langzeit-Versagensverhalten von innendruckbelasteten Rohren aus Polyethylen (PE) ist durch den Widerstand gegen Rissinitiierung und langsames, quasi-sprödes Risswachstum gekennzeichnet. Ein vertieftes Werkstoffverständnis und Weiterentwicklungen in den Rohstoffen führten zu modernen PE-Rohrtypen mit deutlich verbesserten Langzeit-Eigenschaften. Die erzielten Verbesserungen im Versagensverhalten führten jedoch auch gleichzeitig zu neuen Herausforderungen in der Werkstoff-Prüftechnik hinsichtlich sinnvoller Prüfzeiten. Methoden der linear-elastischen Bruchmechanik (LEBM), im speziellen in Kombination mit zyklischen Versuchen an Cracked Round Bar (CRB) Prüfkörpern, zeigen vielversprechende Ansätze für eine zeitoptimierte Werkstoffcharakterisierung. Im Rahmen dieser Masterarbeit erfolgte eine systematische Bruchflächenanalyse von zyklisch und statisch belasteten Prüfkörpern mit unterschiedlichen Geometrien und aus zwei verschiedenen PE-Typen hoher Dichte (PE-HD). Neben dem CRB Prüfkörper wurden Compact Tension (CT) Prüfkörper, sowie Rohrprüfkörper aus Zeitstandinnendruckversuchen untersucht. Die Charakterisierung der Bruchflächen erfolgte mit der Licht- und Rasterelektronenmikroskopie, wobei die generelle Eignung dreidimensionaler topographischer Messmethoden als Ergänzung für eine Bruchflächenanalyse evaluiert wurde. Basierend auf dem Konzept des Spannungsintensitätsfaktors (KI) der LEBM und dem Dugdale-Modell, welches die Ausbildung der plastischen Zone beschreibt, wurden die Bruchflächen hinsichtlich der Crazefibrillenausbildung in Abhängigkeit des R-Verhältnisses (R = minimale / maximale Belastung), der Prüfkörpergeometrie und des Werkstoffes untersucht. Es stellte sich heraus, dass die Crazefibrillenhöhe mit steigendem KI-Wert, sowie steigendem R-Verhältnis zunimmt. Eine Gegenüberstellung von Bruchflächen der unterschiedlichen Prüfkörper ergab trotz vergleichbarem KI ein unterschiedliches Erscheinungsbild. Dies spiegelte vor allem den Einfluss der verschiedenen Prüfkörpergeometrien wider, die sich im Ausmaß der Dreidimensionalität des vorliegenden Spannungszustandes unterscheiden und somit das langsame Risswachstum in PE beeinflussen. Weiters konnten werkstoffspezifische Unterschiede im Bezug auf die Crazefibrillenausbildung bei identischem KI-Wert nachgewiesen werden. Neben einer quantitativen Bewertung der Crazefibrillenlänge ermöglichte die Topographiemessung eine detaillierte Untersuchung von Haltelinien auf PE-Bruchflächen. Dabei wurde der Trend festgestellt, dass die Haltelinienabstände mit steigendem KI zunehmen. Weiters wurde für eine Untersuchung der Entwicklung von plastischen Zonen in CRB-Prüfkörpern eine Methode entwickelt, welche die prüftechnischen Vorteile (vor allem die kurzen Prüfzeiten) von CRB-Prüfkörpern mit der Möglichkeit einer systematischen Rissspitzenanalyse verbindet. Dabei wurde der Risswachstumsprozess vor, während und nach der Rissinitiierung gestoppt und für eine mikroskopische Untersuchung präpariert, was eine Charakterisierung des material- und zeitabhängigen Verhaltens der Rissinitiierung und des Risswachstums ermöglichte.

AB - Das Langzeit-Versagensverhalten von innendruckbelasteten Rohren aus Polyethylen (PE) ist durch den Widerstand gegen Rissinitiierung und langsames, quasi-sprödes Risswachstum gekennzeichnet. Ein vertieftes Werkstoffverständnis und Weiterentwicklungen in den Rohstoffen führten zu modernen PE-Rohrtypen mit deutlich verbesserten Langzeit-Eigenschaften. Die erzielten Verbesserungen im Versagensverhalten führten jedoch auch gleichzeitig zu neuen Herausforderungen in der Werkstoff-Prüftechnik hinsichtlich sinnvoller Prüfzeiten. Methoden der linear-elastischen Bruchmechanik (LEBM), im speziellen in Kombination mit zyklischen Versuchen an Cracked Round Bar (CRB) Prüfkörpern, zeigen vielversprechende Ansätze für eine zeitoptimierte Werkstoffcharakterisierung. Im Rahmen dieser Masterarbeit erfolgte eine systematische Bruchflächenanalyse von zyklisch und statisch belasteten Prüfkörpern mit unterschiedlichen Geometrien und aus zwei verschiedenen PE-Typen hoher Dichte (PE-HD). Neben dem CRB Prüfkörper wurden Compact Tension (CT) Prüfkörper, sowie Rohrprüfkörper aus Zeitstandinnendruckversuchen untersucht. Die Charakterisierung der Bruchflächen erfolgte mit der Licht- und Rasterelektronenmikroskopie, wobei die generelle Eignung dreidimensionaler topographischer Messmethoden als Ergänzung für eine Bruchflächenanalyse evaluiert wurde. Basierend auf dem Konzept des Spannungsintensitätsfaktors (KI) der LEBM und dem Dugdale-Modell, welches die Ausbildung der plastischen Zone beschreibt, wurden die Bruchflächen hinsichtlich der Crazefibrillenausbildung in Abhängigkeit des R-Verhältnisses (R = minimale / maximale Belastung), der Prüfkörpergeometrie und des Werkstoffes untersucht. Es stellte sich heraus, dass die Crazefibrillenhöhe mit steigendem KI-Wert, sowie steigendem R-Verhältnis zunimmt. Eine Gegenüberstellung von Bruchflächen der unterschiedlichen Prüfkörper ergab trotz vergleichbarem KI ein unterschiedliches Erscheinungsbild. Dies spiegelte vor allem den Einfluss der verschiedenen Prüfkörpergeometrien wider, die sich im Ausmaß der Dreidimensionalität des vorliegenden Spannungszustandes unterscheiden und somit das langsame Risswachstum in PE beeinflussen. Weiters konnten werkstoffspezifische Unterschiede im Bezug auf die Crazefibrillenausbildung bei identischem KI-Wert nachgewiesen werden. Neben einer quantitativen Bewertung der Crazefibrillenlänge ermöglichte die Topographiemessung eine detaillierte Untersuchung von Haltelinien auf PE-Bruchflächen. Dabei wurde der Trend festgestellt, dass die Haltelinienabstände mit steigendem KI zunehmen. Weiters wurde für eine Untersuchung der Entwicklung von plastischen Zonen in CRB-Prüfkörpern eine Methode entwickelt, welche die prüftechnischen Vorteile (vor allem die kurzen Prüfzeiten) von CRB-Prüfkörpern mit der Möglichkeit einer systematischen Rissspitzenanalyse verbindet. Dabei wurde der Risswachstumsprozess vor, während und nach der Rissinitiierung gestoppt und für eine mikroskopische Untersuchung präpariert, was eine Charakterisierung des material- und zeitabhängigen Verhaltens der Rissinitiierung und des Risswachstums ermöglichte.

KW - Bruchflächenanalyse

KW - Rissinitiierung

KW - Risswachstum

KW - Craze

KW - Spannungsintensitätsfaktor

KW - Zeitstandinnendruckversuch

KW - Rissspitzenanalyse

KW - fracture surface analysis

KW - crack growth initiation

KW - crack growth

KW - crazing

KW - stress intensity factor

KW - pressurized pipes

KW - crack tip analysis

M3 - Masterarbeit

ER -