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

Research output: ThesisMaster's Thesis

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@mastersthesis{bc30da1c495f4bdd8c2d952645d2dac2,
title = "Untersuchung von quasi-spr{\"o}den Sch{\"a}digungsmechanismen in zyklisch und statisch belasteten Pr{\"u}fk{\"o}rpern aus Polyethylen",
abstract = "Das Langzeit-Versagensverhalten von innendruckbelasteten Rohren aus Polyethylen (PE) ist durch den Widerstand gegen Rissinitiierung und langsames, quasi-spr{\"o}des Risswachstum gekennzeichnet. Ein vertieftes Werkstoffverst{\"a}ndnis und Weiterentwicklungen in den Rohstoffen f{\"u}hrten zu modernen PE-Rohrtypen mit deutlich verbesserten Langzeit-Eigenschaften. Die erzielten Verbesserungen im Versagensverhalten f{\"u}hrten jedoch auch gleichzeitig zu neuen Herausforderungen in der Werkstoff-Pr{\"u}ftechnik hinsichtlich sinnvoller Pr{\"u}fzeiten. Methoden der linear-elastischen Bruchmechanik (LEBM), im speziellen in Kombination mit zyklischen Versuchen an Cracked Round Bar (CRB) Pr{\"u}fk{\"o}rpern, zeigen vielversprechende Ans{\"a}tze f{\"u}r eine zeitoptimierte Werkstoffcharakterisierung. Im Rahmen dieser Masterarbeit erfolgte eine systematische Bruchfl{\"a}chenanalyse von zyklisch und statisch belasteten Pr{\"u}fk{\"o}rpern mit unterschiedlichen Geometrien und aus zwei verschiedenen PE-Typen hoher Dichte (PE-HD). Neben dem CRB Pr{\"u}fk{\"o}rper wurden Compact Tension (CT) Pr{\"u}fk{\"o}rper, sowie Rohrpr{\"u}fk{\"o}rper aus Zeitstandinnendruckversuchen untersucht. Die Charakterisierung der Bruchfl{\"a}chen erfolgte mit der Licht- und Rasterelektronenmikroskopie, wobei die generelle Eignung dreidimensionaler topographischer Messmethoden als Erg{\"a}nzung f{\"u}r eine Bruchfl{\"a}chenanalyse evaluiert wurde. Basierend auf dem Konzept des Spannungsintensit{\"a}tsfaktors (KI) der LEBM und dem Dugdale-Modell, welches die Ausbildung der plastischen Zone beschreibt, wurden die Bruchfl{\"a}chen hinsichtlich der Crazefibrillenausbildung in Abh{\"a}ngigkeit des R-Verh{\"a}ltnisses (R = minimale / maximale Belastung), der Pr{\"u}fk{\"o}rpergeometrie und des Werkstoffes untersucht. Es stellte sich heraus, dass die Crazefibrillenh{\"o}he mit steigendem KI-Wert, sowie steigendem R-Verh{\"a}ltnis zunimmt. Eine Gegen{\"u}berstellung von Bruchfl{\"a}chen der unterschiedlichen Pr{\"u}fk{\"o}rper ergab trotz vergleichbarem KI ein unterschiedliches Erscheinungsbild. Dies spiegelte vor allem den Einfluss der verschiedenen Pr{\"u}fk{\"o}rpergeometrien wider, die sich im Ausma{\ss} der Dreidimensionalit{\"a}t 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 Crazefibrillenl{\"a}nge erm{\"o}glichte die Topographiemessung eine detaillierte Untersuchung von Haltelinien auf PE-Bruchfl{\"a}chen. Dabei wurde der Trend festgestellt, dass die Haltelinienabst{\"a}nde mit steigendem KI zunehmen. Weiters wurde f{\"u}r eine Untersuchung der Entwicklung von plastischen Zonen in CRB-Pr{\"u}fk{\"o}rpern eine Methode entwickelt, welche die pr{\"u}ftechnischen Vorteile (vor allem die kurzen Pr{\"u}fzeiten) von CRB-Pr{\"u}fk{\"o}rpern mit der M{\"o}glichkeit einer systematischen Rissspitzenanalyse verbindet. Dabei wurde der Risswachstumsprozess vor, w{\"a}hrend und nach der Rissinitiierung gestoppt und f{\"u}r eine mikroskopische Untersuchung pr{\"a}pariert, was eine Charakterisierung des material- und zeitabh{\"a}ngigen Verhaltens der Rissinitiierung und des Risswachstums erm{\"o}glichte.",
keywords = "Bruchfl{\"a}chenanalyse, Rissinitiierung, Risswachstum, Craze, Spannungsintensit{\"a}tsfaktor, Zeitstandinnendruckversuch, Rissspitzenanalyse, fracture surface analysis, crack growth initiation, crack growth, crazing, stress intensity factor, pressurized pipes, crack tip analysis",
author = "Katharina Bruckmoser",
note = "gesperrt bis null",
year = "2010",
language = "Deutsch",

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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 -