Sind die genormten Prüfverfahren für zügige und schlagartige Beanspruchung noch zeitgemäß? – Neue Wege zur Dimensionierung –
Authors: Menges G. , Knausenberger R. , Boden H. E. 
Published: May 2005

Aus bewährten und genormten mechanischen Prüfverfahren zur Ermittlung der Eigenschaften metallischer Werkstoffe wurden Prüfvorschriften für polymere Werkstoffe abgeleitet. Aus der Erkenntnis, daß, abgesehen von langzeitigen Untersuchungsmethoden, aus den meisten Prüfmethoden keine Dimensionierungskenngrößen abgeleitet werden können, ergibt sich ein recht unbefriedigendes Bild. Hinzu kommt, daß zur Ermittlung von Langzeiteigenschaften außerordentlich zeitintensive Untersuchungsmethoden (z. T. über mehr als 1 Jahr Versuchsdauer) angewandt werden müssen, für Belastungen im Kurzzeit‐ und Stoßbeanspruchungsbereich auf Experimente mit großem meßtechnischem Aufwand an praktischen Bauteilen nicht verzichtet werden kann. In diesem Beitrag wird zu diesen beiden Problemkreisen kritisch Stellung genommen und neue Möglichkeiten aufgezeigt

Dimensionierung bei Stoßbeanspruchungen,

Berechnung des Langzeitverhaltens aus Kurzzeitzugversuchen.

Für amorphe Kunststoffe ergibt sich mit abnehmenden Standzeiten (< 1 s) und abnehmendem Temperaturen ein Übergang vom halbzähen zum spröden Werkstoffverhalten. Für den Werkstoff PMMA scheint eine Grenzbruchdehnung von 2,2% sowie eine Grenzbelastbarkeit von 135 N/mm2 im Bereich der Stoßbelastungen zu existieren. Diese Werte können als Grundlage einer Dimensionierung gegen Stoß dienen. Für die meisten anderen untersuchten Thermoplaste ergeben sich gleiche Tendenzen, wobei exakte Grenzwerte noch nicht angegeben werden können.

Ebenso läßt sich aus dem Verlauf von Schubmodul und Dämpfungsfaktor als Funktion der Temperatur ein Grenzelastizitätsmodul abschätzen, der mit in der Praxis gemessenen Werten gut übereinstimmt. Für PMMA beträgt er etwa 6500 N/mm2. Aus Schubmodul‐und Dämpfungsverläufen läßt sich weiterhin abschätzen, wie stark geschwindigkeits‐ bzw. temperaturabhängig die mechanischen Eigenschaften eines Werkstoffes sind (Zäh‐Spröd‐Übergang).

Schließlich kann gezeigt werden, daß es sogar möglich erscheint, mit der vorgestellten Untersuchungsmethode aus sehr kurzdauernder. Versuchen (< 17 min) auf die Langzeitfestigkeit zu schließen.

Daß der genormte Kurzzeitzugversuch keine zur Dimensionierung geeigneten Werkstoffkennwerte liefert, liegt u. E. darin begründet, daß die wesentliche Versuchsbedingung, die Dehngeschwindigkeit, nicht konstant ist. Versuche mit konstanten Dehngeschwindigkeiten liefern dagegen ein gut beschreibbares Verformungsverhalten, mit dem sogar das Langzeitverhalten vorhersagbar wird. Darüber hinaus verringern sich Meßwertstreuungen in bemerkenswerter Weise. Mit Variation der Prüftemperatur erhält man Werkstoffdaten, auf die das Zeit‐Temperaturverschiebungsprinzip zur ausgezeichneten Übereinstimmung mit früheren Untersuchungsergebnissen führt.

Auf diese Weise erhält man aus zeitlich kurzen Versuchen ‐ derzeit werden wegen der Grundlagencharakteristik der Versuche noch Zeiten von etwa 100 h benötigt, geplant ist aber für die Zukunft eine maximale Versuchsdauer von 10 h ‐ bei verschiedenen Temperaturen ein Bild des Werkstoffverhaltens, das dem Langzeitverhalten sehr gut entspricht. Es scheint sogar möglich, das Zeitstandverhalten vorherzusagen und Aussagen über das Tragverhalten z. B. von Schweißnähten im geforderten Dimensionierungszeitraum von vielen Tausenden von Stunden machen zu können.