TY - THES

T1 - Eigenspannungsanalyse und Schädigungsverhalten von verstärkten Polypropylen-Rohrwerkstoffen

AU - Schwab, Manuel

N1 - gesperrt bis 06-05-2020

PY - 2015

Y1 - 2015

N2 - Für Rohrhersteller ist es unerlässlich eine Lebensdauer ihrer Produkte von mindestens 50 Jahren garantieren zu können. Jeder neu entwickelte Rohrwerkstoff muss in einem langwierigen Zulassungsprozess genehmigt werden, wobei unzählige Tests zu bestehen sind. Sehr wichtige Erkenntnisse durch diese Untersuchungen sind unter anderem das mechanische Langzeitverhalten der Rohre sowie die Höhe der in den Rohren enthaltenen Eigenspannungen. Ein nicht unwesentlicher Parameter, der berücksichtigt werden muss, ist auch das Schädigungsverhalten der Materialien, um ein Versagen während der Einsatzdauer vermeiden zu können. Für diese Arbeit wurden die Eigenschaften von vier verschieden Varianten von Polypropylen (PP) untersucht. Einer der Werkstoffe war reines PP, einer mit Wollastonit und zwei mit Talkum und Kreide verstärkt. Anhand dieser Werkstoffe wurde das mechanische Langzeitverhalten (Zug-Kriechmodul und Querkontraktionszahl über die Zeit) unter Verwendung der „Stepped Isothermal Method“ (SIM-Methode) ermittelt und mit Ergebnissen aus herkömmlichen Kriechversuchen verglichen. Die Ergebnisse des Kriechmoduls zeigten, dass die mit Talkum und Kreide verstärkten Materialien nach 50 Jahren noch den höchsten Modul aufweisen, das ungefüllte PP den niedrigsten und der mit Wollastonit verstärkte Werkstoff dazwischen liegt. Zur Validierung der SIM-Methodik wurden klassische Kriechversuche durchgeführt, welche vergleichbare Resultate lieferten. Die Auswertung der Querkontraktionszahl zeigte, dass diese zu Beginn ein konstantes Niveau annimmt und im späteren Verlauf der Prüfung leicht ansteigt. Des Weiteren wurden für die, aus den vier Materialien, extrudierten Rohre die axialen und radialen Eigenspannungen untersucht. Das mit Wollastonit verstärkte Material wies unterschiedliche Eigenspannungswerte für axiale und radiale Richtung auf. Dieser Unterschied könnte durch die nadelförmige Gestalt des Verstärkungsstoffes und dessen Ausrichtung in axiale Richtung begründet sein. Die Eigenspannungen der anderen Werkstoffe ergaben vergleichbare Werte in axiale und radiale Richtung, was auf die größere Homogenität dieser Materialien zurückzuführen sein dürfte. Die Auswertung ergab weiters, dass die mit Talkum und Kreide verstärkten Materialien prinzipiell höhere Eigenspannungen besaßen als die beiden anderen Werkstoffe. Das Schädigungsverhalten von mit Talkum verstärktem Polypropylen wurde mittels „Cracked Round Bar“ (CRB) Prüfkörpern in zyklischen Ermüdungsversuchen untersucht. Dazu wurde die Ausbreitung der vor dem Kerbgrund sichtbaren Schädigungszone in Abhängigkeit von Maximallast und R-Verhältnis untersucht. Die Länge der Schädigungszonen war, bei der gleichen Schwingspielzahl, für größere Maximallasten erwartungsgemäß höher als bei niedrigeren Lasten. Bei gleicher Maximallast und unterschiedlichem R-Verhältnis zeigte sich, dass Prüfkörper bei niedrigerem R-Verhältnis, durch die niedrigere Mittelspannung, anfänglich kleinere Schädigungszonen ausbilden als bei einem höheren R-Verhältnis. Durch die größere Kraftamplitude bei kleinen R-Verhältnissen entwickelt sich die Schädigungszone jedoch während des Versuches schneller, wodurch es zum Versagen bei kleineren Schwingspielzahlen als bei großen R-Verhältnissen kommt. Um von der Entwicklung der Schädigungszone auf ein Risswachstumsgesetz schließen zu können, wurde versucht eine Nachgiebigkeitskalibrierung durchzuführen. Aufgrund der geringen Rissöffnung und damit verbundenen Schwierigkeiten bei der Unterscheidung zwischen Schädigungsfortschritt, Signalrauschen und Temperatureffekten während der Versuche konnte jedoch noch keine eindeutige Korrelation gefunden werden.

AB - Für Rohrhersteller ist es unerlässlich eine Lebensdauer ihrer Produkte von mindestens 50 Jahren garantieren zu können. Jeder neu entwickelte Rohrwerkstoff muss in einem langwierigen Zulassungsprozess genehmigt werden, wobei unzählige Tests zu bestehen sind. Sehr wichtige Erkenntnisse durch diese Untersuchungen sind unter anderem das mechanische Langzeitverhalten der Rohre sowie die Höhe der in den Rohren enthaltenen Eigenspannungen. Ein nicht unwesentlicher Parameter, der berücksichtigt werden muss, ist auch das Schädigungsverhalten der Materialien, um ein Versagen während der Einsatzdauer vermeiden zu können. Für diese Arbeit wurden die Eigenschaften von vier verschieden Varianten von Polypropylen (PP) untersucht. Einer der Werkstoffe war reines PP, einer mit Wollastonit und zwei mit Talkum und Kreide verstärkt. Anhand dieser Werkstoffe wurde das mechanische Langzeitverhalten (Zug-Kriechmodul und Querkontraktionszahl über die Zeit) unter Verwendung der „Stepped Isothermal Method“ (SIM-Methode) ermittelt und mit Ergebnissen aus herkömmlichen Kriechversuchen verglichen. Die Ergebnisse des Kriechmoduls zeigten, dass die mit Talkum und Kreide verstärkten Materialien nach 50 Jahren noch den höchsten Modul aufweisen, das ungefüllte PP den niedrigsten und der mit Wollastonit verstärkte Werkstoff dazwischen liegt. Zur Validierung der SIM-Methodik wurden klassische Kriechversuche durchgeführt, welche vergleichbare Resultate lieferten. Die Auswertung der Querkontraktionszahl zeigte, dass diese zu Beginn ein konstantes Niveau annimmt und im späteren Verlauf der Prüfung leicht ansteigt. Des Weiteren wurden für die, aus den vier Materialien, extrudierten Rohre die axialen und radialen Eigenspannungen untersucht. Das mit Wollastonit verstärkte Material wies unterschiedliche Eigenspannungswerte für axiale und radiale Richtung auf. Dieser Unterschied könnte durch die nadelförmige Gestalt des Verstärkungsstoffes und dessen Ausrichtung in axiale Richtung begründet sein. Die Eigenspannungen der anderen Werkstoffe ergaben vergleichbare Werte in axiale und radiale Richtung, was auf die größere Homogenität dieser Materialien zurückzuführen sein dürfte. Die Auswertung ergab weiters, dass die mit Talkum und Kreide verstärkten Materialien prinzipiell höhere Eigenspannungen besaßen als die beiden anderen Werkstoffe. Das Schädigungsverhalten von mit Talkum verstärktem Polypropylen wurde mittels „Cracked Round Bar“ (CRB) Prüfkörpern in zyklischen Ermüdungsversuchen untersucht. Dazu wurde die Ausbreitung der vor dem Kerbgrund sichtbaren Schädigungszone in Abhängigkeit von Maximallast und R-Verhältnis untersucht. Die Länge der Schädigungszonen war, bei der gleichen Schwingspielzahl, für größere Maximallasten erwartungsgemäß höher als bei niedrigeren Lasten. Bei gleicher Maximallast und unterschiedlichem R-Verhältnis zeigte sich, dass Prüfkörper bei niedrigerem R-Verhältnis, durch die niedrigere Mittelspannung, anfänglich kleinere Schädigungszonen ausbilden als bei einem höheren R-Verhältnis. Durch die größere Kraftamplitude bei kleinen R-Verhältnissen entwickelt sich die Schädigungszone jedoch während des Versuches schneller, wodurch es zum Versagen bei kleineren Schwingspielzahlen als bei großen R-Verhältnissen kommt. Um von der Entwicklung der Schädigungszone auf ein Risswachstumsgesetz schließen zu können, wurde versucht eine Nachgiebigkeitskalibrierung durchzuführen. Aufgrund der geringen Rissöffnung und damit verbundenen Schwierigkeiten bei der Unterscheidung zwischen Schädigungsfortschritt, Signalrauschen und Temperatureffekten während der Versuche konnte jedoch noch keine eindeutige Korrelation gefunden werden.

KW - polypropylene

KW - SIM

KW - creep modulus

KW - poisson’s ratio

KW - residual stress

KW - fatigue

KW - damage zone

KW - Polypropylen

KW - SIM

KW - Kriechmodul

KW - Querkontraktionszahl

KW - Eigenspannungen

KW - Ermüdung

KW - Schädigungszone

M3 - Masterarbeit

ER -