Teil 11 Ermüdung und Kriechen

Inhalt

1. Einleitung

2. Was ist Ermüdung bei Kunststoffen? (Hauptunterschiede zur Metallermüdung, Ermüdungsanalyse)

3. Was ist Kriechen bei Kunststoffen? (Kriechanalyse)

4. Zusammenfassung

Einführung

Phänomene wie Ermüdung und Kriechen erfordern bei Kunststoffprodukten besondere Aufmerksamkeit. Diese haben andere Eigenschaften als Metalle, daher ist auch bei der Konstruktion von Teilen aus Harz Vorsicht geboten. Dieses Mal werden wir die Ermüdung und das Kriechen von Harzen erläutern.

Was ist Ermüdung bei Kunststoffen?

Bei wiederholter Belastung eines Gegenstandes kann dieser brechen, wenn die Spannung innerhalb der elastischen Verformungsgrenze liegt und kleiner als die Streckgrenze ist. Dies nennt man Ermüdungsversagen. Zur Bewertung der Ermüdungseigenschaften wird eine SN-Kurve (Ermüdungskurve) verwendet, die die Beziehung zwischen der wiederholt auf ein Material ausgeübten Spannung (S) und der Anzahl der Wiederholungen (N) bis zum Bruch des Materials zeigt. Die Spannung, bei der die Kurve waagerecht verläuft, wird als Ermüdungsgrenze betrachtet. Dies bedeutet, dass bei Spannungen unterhalb der Ermüdungsgrenze kein Ermüdungsversagen auftritt, unabhängig von der Anzahl der Wiederholungen.

Bei Kunststoffmaterialien gibt es möglicherweise keine klare Ermüdungsgrenze. In „JIS K 7118 (Allgemeine Regeln für Ermüdungstestmethoden für starre Kunststoffmaterialien)“ wird die Ermüdungsgrenze als die Spannung definiert, bei der eine Zerstörung auftritt, wenn die Steifigkeitserhaltungsrate auf einen bestimmten Wert abfällt oder wenn die Spannung etwa ¹⁰⁷ Mal wiederholt wurde. Dies wird als Index der Bruchfestigkeit verwendet.

■ Wesentliche Unterschiede zur Metallermüdung

Da Kunststoffe viskoelastische Eigenschaften haben, gibt es Unterschiede beim Ermüdungsversagen im Vergleich zu Metallen. Metallmaterialien haben oft eine klare Ermüdungsgrenze, Kunststoffmaterialien jedoch oft nicht. Viele Kunststoffmaterialien verschlechtern sich auch nach Überschreiten der angegebenen Zahl (10 ⁷-mal) allmählich weiter. Daher muss bei der Festlegung der Ermüdungsgrenze sorgfältig vorgegangen werden.

Darüber hinaus sind Kunststoffe temperaturabhängig. Wenn die Temperaturen selbst innerhalb des praktischen Temperaturbereichs steigen, nimmt ihre Dauerfestigkeit tendenziell ab.

Wenn die Verformungsgeschwindigkeit bei wiederholten Belastungstests zu hoch ist, wird außerdem im Inneren Wärme erzeugt. Infolgedessen besteht die Möglichkeit, dass sich die Ermüdungseigenschaften ändern, z. B. durch thermische Ermüdung ein Versagen verursacht wird. Dieser Temperaturanstieg wird stark von der Stärke der Spannung und der Wiederholungshäufigkeit beeinflusst, daher ist bei der Durchführung der Analyse Vorsicht geboten.

■ Ermüdungsbewertung mittels Strukturanalyse (Ermüdungsanalyse)

Ermüdungsbrüche sind eine der Hauptursachen für Bauteilversagen. Daher ist es notwendig, vorab eine Strukturanalyse für Bereiche durchzuführen, die wiederholten Belastungen ausgesetzt sind, um zu prüfen, ob Ermüdungsbrüche auftreten.

Verwenden Sie die Spannungswerte, die Sie aus der Strukturanalyse und dem Ermüdungsdiagramm erhalten haben. Das Ermüdungsdiagramm können Sie durch Ausführen eines Ermüdungstests oder aus einer Materialdatenbank erhalten. Wenn die wiederholte Belastung eine einfache konstante Amplitude hat, kann die Lebensdauer aus den Spannungswerten aus den Analyseergebnissen und dem Ermüdungsgrenzdiagramm berechnet werden.

Bei nicht konstanter Amplitude muss die Lebensdauer durch Ansammeln der Daten berechnet werden. Einige CAE-Programme können die Lebensdauer automatisch mithilfe einer Ermüdungsanalyse berechnen.

Darüber hinaus ist es jetzt möglich, die Ermüdungsbewertung nach der Zuordnung der Ausrichtung von Faserverstärkungsmaterialien zu berechnen, sodass eine Ermüdungsbewertung durchgeführt werden kann, die die Anisotropie der physikalischen Eigenschaften berücksichtigt.

Sie können auch ein modifiziertes Goodman-Diagramm aus der Dauerfestigkeit und der Zugfestigkeit erstellen, um zu bestimmen, ob die Dauerfestigkeit fehlschlägt oder nicht. Das modifizierte Goodman-Diagramm ist ein modifiziertes Goodman-Diagramm, indem eine gerade Linie mit der X-Achse als Achse der Zugfestigkeit des Achsenabschnitts σ _B und der Y-Achse als Achsenabschnitt der Dauerfestigkeit σ _w gezeichnet wird.

Anschließend werden aus den Ergebnissen der Strukturanalyse die mittlere Spannung σ _m und die Spannungsamplitude σ _a mit der folgenden Formel berechnet. Außerdem werden der Maximalwert σ _max und der Minimalwert σ _min der periodischen Spannungsschwankung abgelesen.

Wenn die ermittelte mittlere Spannung σ _m und die Spannungsamplitude σ _a in einem Diagramm dargestellt werden und diese unterhalb der modifizierten Goodman-Linie liegen, kann davon ausgegangen werden, dass kein Ermüdungsversagen vorliegt.

Da Ermüdungsbrüche jedoch häufig aus Spannungskonzentrationen entstehen, kann die Ermüdungsbeständigkeit eines Produkts mit Kerben oder Kratzern abnehmen. Beim Entwurf von Produkten muss auch auf die Form geachtet werden.

Was ist Kriechen bei Kunststoffen?

Kriechen ist ein Phänomen, bei dem die Dehnung mit der Zeit zunimmt, wenn über einen langen Zeitraum Spannung auf ein Objekt ausgeübt wird. Wenn Spannung auf ein Objekt ausgeübt wird, tritt zuerst elastische Dehnung auf und dann tritt mit der Zeit aufgrund der Viskosität Kriechdehnung auf. Wenn wir das Feder-Masse-System im folgenden Diagramm betrachten, ist der Teil, der dem Stoßdämpfer entspricht, der Teil, der die Viskosität des Harzes aufweist, und dies ist eine physikalische Eigenschaft, die Kriechdehnung verursacht.

Kunststoffe neigen selbst innerhalb ihres Betriebstemperaturbereichs zu viskoelastischen Eigenschaften, daher ist besondere Sorgfalt erforderlich, wenn Kunststoffprodukte für eine dauerhafte Belastung ausgelegt sind. Darüber hinaus kann bei hohen Temperaturen und hoher Belastung die Verformung schnell fortschreiten und letztendlich zur Zerstörung führen, daher ist es bei der Entwicklung eines Produkts wichtig, zu berücksichtigen, ob es Probleme mit der Sicherheit und Haltbarkeit gibt.

■ Kriechanalyse

Es gibt verschiedene Methoden zum Formulieren von Kriechkurven, aber das am häufigsten verwendete Kriechmaterialmodell ist das Nortonsche Gesetz, das die Kriechdehnungsrate als Funktion der Spannung (σ) und der Temperatur (T) ausdrückt, wie in der folgenden Formel gezeigt.

Es ist notwendig, die Materialkonstanten zu ermitteln, damit diese zur gemessenen Kriechkurve passen.

Zusammenfassung

Da Kunststoffe andere Eigenschaften als Metalle aufweisen, wie z. B. Ermüdung und Kriechen, muss bei der Produktgestaltung sorgfältig vorgegangen werden. Verwenden Sie CAE-Analysen als Referenz bei der Entwicklung und Auswahl von Kunststoffen, um sicherzustellen, dass es keine Probleme mit der Produkthaltbarkeit gibt.

Im nächsten Artikel erklären wir die Topologieoptimierung. Bleiben Sie dran!