TY - THES

T1 - Analyse des Risswachstumsverhaltens von Polybuten und vernetztem Polyethylen mittels dem zyklischen Cracked Round Bar- Test

AU - Höller, David

N1 - nicht gesperrt

PY - 2017

Y1 - 2017

N2 - Diese Masterarbeit befasste sich mit der Analyse des Risswachstumsverhaltens der Rohrwerkstoffe Polybuten (PB) und vernetztem Polyethylen (PEX-a). Als Prüfmethode wurde dafür der zyklische Cracked Round Bar (CRB)- Test verwendet, welcher in Zusammenarbeit des Lehrstuhles für Werkstoffkunde und Prüfung der Kunststoffe an der Montanuniversität Leoben (Leoben, A) und der Polymer Competence Center Leoben GmbH (Leoben, A) in den letzten Jahren entwickelt wurde. Im realen Anwendungsfall werden Polyolefinrohre bei geringem Innendruck einer Langzeitbelastung ausgesetzt, wobei quasi sprödes Risswachstum („slow crack growth“- SCG) als kritischer Versagensmechanismus angesehen werden kann. Da bei der Abschätzung des Langzeitverhaltens so realitätsnah wie möglich geprüft werden soll, bietet der CRB-Test in dieser Hinsicht einen erheblichen Vorteil, da aufgrund der Ermüdungsbelastung am CRB- Prüfkörper die Tendenz zu quasi sprödem Risswachstum verstärkt wird. Basierend auf der ISO- Norm 18489 für PE wurde der CRB- Test auf die oben angeführten Rohrwerkstoffe angewandt, was zu Erkenntnissen führte, welche für zukünftige wissenschaftliche und industrielle Charakterisierungen dieser oder ähnlicher Werkstoffe von großem Vorteil sein wird. Dazu zählt vor allem die Abschätzung der Prüfparameter, wie Prüftemperatur, Prüfzeit und Belastungshöhe. In dieser Arbeit stand die Beurteilung der Versagenskurven beider Rohrwerkstoffe bei unterschiedlichen Temperaturen mittels der CRB- Methode im Vordergrund, wobei die Bruchflächen sowie Rissöffnungsverläufe in die Analyse miteinbezogen wurden. Zum besseren Verständnis waren zudem umfassende Materialcharakterisierungen notwendig, wodurch in weitere Folge auch ein direkter Vergleich der Eigenschaften von unvernetztem Polyethylen (PE) zu vernetztem Polyethylen (PEX-a) vollzogen werden konnte. Des Weiteren erfolgte die Bestimmung der Risskinetik von PB auf Basis der Materialnachgiebigkeit mit einer ergänzenden optischen Analyse des Rissverhaltens bei verschiedenen Temperaturen. Als wichtigste Erkenntnis dieser Arbeit ging hervor, dass der quasi spröde Übergang von PB bei einer Prüftemperatur von 80°C gemessen werden kann. Eine Prüftemperatur von 23°C scheint für PB daher ungeeignet. Bei PEX-a konnte bei beiden Temperaturen kein quasi spröder Übergang gemessen werden, wobei die Versagenskurven die hohe Spannungsrissbeständigkeit und geringe Temperaturabhängigkeit bestätigen. Aus diesem Grund sind vernetzte Werkstoffe wie PEX-a für Beanspruchungen über eine sehr lange Lebensdauer zu bevorzugen. PB zeichnet sich wiederrum durch bessere mechanische Eigenschaften im duktilen Versagensbereich aus. Aufgrund der langen Testzeiten an vernetzten thermoplastischen Rohrwerkstoffen kann die Eignung des CRB- Tests, als schneller Qualitätssicherungstest, lediglich für PB empfohlen werden.

AB - Diese Masterarbeit befasste sich mit der Analyse des Risswachstumsverhaltens der Rohrwerkstoffe Polybuten (PB) und vernetztem Polyethylen (PEX-a). Als Prüfmethode wurde dafür der zyklische Cracked Round Bar (CRB)- Test verwendet, welcher in Zusammenarbeit des Lehrstuhles für Werkstoffkunde und Prüfung der Kunststoffe an der Montanuniversität Leoben (Leoben, A) und der Polymer Competence Center Leoben GmbH (Leoben, A) in den letzten Jahren entwickelt wurde. Im realen Anwendungsfall werden Polyolefinrohre bei geringem Innendruck einer Langzeitbelastung ausgesetzt, wobei quasi sprödes Risswachstum („slow crack growth“- SCG) als kritischer Versagensmechanismus angesehen werden kann. Da bei der Abschätzung des Langzeitverhaltens so realitätsnah wie möglich geprüft werden soll, bietet der CRB-Test in dieser Hinsicht einen erheblichen Vorteil, da aufgrund der Ermüdungsbelastung am CRB- Prüfkörper die Tendenz zu quasi sprödem Risswachstum verstärkt wird. Basierend auf der ISO- Norm 18489 für PE wurde der CRB- Test auf die oben angeführten Rohrwerkstoffe angewandt, was zu Erkenntnissen führte, welche für zukünftige wissenschaftliche und industrielle Charakterisierungen dieser oder ähnlicher Werkstoffe von großem Vorteil sein wird. Dazu zählt vor allem die Abschätzung der Prüfparameter, wie Prüftemperatur, Prüfzeit und Belastungshöhe. In dieser Arbeit stand die Beurteilung der Versagenskurven beider Rohrwerkstoffe bei unterschiedlichen Temperaturen mittels der CRB- Methode im Vordergrund, wobei die Bruchflächen sowie Rissöffnungsverläufe in die Analyse miteinbezogen wurden. Zum besseren Verständnis waren zudem umfassende Materialcharakterisierungen notwendig, wodurch in weitere Folge auch ein direkter Vergleich der Eigenschaften von unvernetztem Polyethylen (PE) zu vernetztem Polyethylen (PEX-a) vollzogen werden konnte. Des Weiteren erfolgte die Bestimmung der Risskinetik von PB auf Basis der Materialnachgiebigkeit mit einer ergänzenden optischen Analyse des Rissverhaltens bei verschiedenen Temperaturen. Als wichtigste Erkenntnis dieser Arbeit ging hervor, dass der quasi spröde Übergang von PB bei einer Prüftemperatur von 80°C gemessen werden kann. Eine Prüftemperatur von 23°C scheint für PB daher ungeeignet. Bei PEX-a konnte bei beiden Temperaturen kein quasi spröder Übergang gemessen werden, wobei die Versagenskurven die hohe Spannungsrissbeständigkeit und geringe Temperaturabhängigkeit bestätigen. Aus diesem Grund sind vernetzte Werkstoffe wie PEX-a für Beanspruchungen über eine sehr lange Lebensdauer zu bevorzugen. PB zeichnet sich wiederrum durch bessere mechanische Eigenschaften im duktilen Versagensbereich aus. Aufgrund der langen Testzeiten an vernetzten thermoplastischen Rohrwerkstoffen kann die Eignung des CRB- Tests, als schneller Qualitätssicherungstest, lediglich für PB empfohlen werden.

KW - fracture mechanics

KW - CRB- Test

KW - fatigue tests

KW - pipe materials

KW - Polybutene

KW - crosslinked Polyethylene

KW - Bruchmechanik

KW - Materialermüdung

KW - CRB-Test

KW - Rohrwerkstoffe

KW - Polybuten

KW - vernetztes Polyethylen

KW - Versagenskurven

M3 - Masterarbeit

ER -