Kunststoffprüfung

Kunststoffprüfung

 

 

 

von: Wolfgang Grellmann, Sabine Seidler

Carl Hanser Fachbuchverlag, 2015

ISBN: 9783446443907

Sprache: Deutsch

760 Seiten, Download: 31134 KB

 
Format:  PDF

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Kunststoffprüfung



  Vorwort zur 3. Auflage 6  
  Vorwort zur 2. Auflage 7  
  Vorwort zur 1. Auflage 9  
  Die Herausgeber 12  
     Wolfgang Grellmann 12  
     Sabine Seidler 12  
     Mitautoren 13  
  Verzeichnis der verwendeten Formelzeichen (Auswahl) 26  
  Abkürzungsverzeichnis 38  
  Kurzzeichen für Kunststoffe 42  
  1?Einleitung 46  
     1.1?Zur Herausbildung der Kunststoffprüfung als Wissenschaftsdisziplin 46  
     1.2?Einflussgrößen auf die Kennwertermittlung 50  
     1.3?Einteilung der Methoden der Kunststoffprüfung 51  
     1.4?Normen und Regelwerke in der Kunststoffprüfung 53  
     1.5?Zusammenstellung der Normen 56  
     1.6?Literaturhinweise für die einzelnen Fachgebiete 57  
  2?Prüfkörperherstellung 62  
     2.1?Einführung 62  
     2.2?Prüfung an Formmassen 64  
     2.3?Herstellung von Prüfkörpern 65  
        2.3.1?Allgemeine Anmerkungen 65  
        2.3.2?Prüfkörperherstellung durch direkte Formgebung 67  
           2.3.2.1?Herstellung von Prüfkörpern aus thermoplastischen Formmassen 67  
           2.3.2.2?Herstellung von Prüfkörpern aus duroplastischen Formmassen 74  
           2.3.2.3?Herstellung von Prüfkörpern aus elastomeren Werkstoffen 75  
        2.3.3?Prüfkörperherstellung durch indirekte Formgebung 77  
        2.3.4?Charakterisierung des Prüfkörperzustandes 79  
     2.4?Prüfkörpervorbereitung und Konditionierung 82  
     2.5?Zusammenstellung der Normen 85  
     2.6?Literatur 86  
  3?Bestimmung verarbeitungsrelevanter Eigenschaften 88  
     3.1?Formmassen 88  
     3.2?Bestimmung von Schüttguteigenschaften 89  
        3.2.1?Schüttdichte, Stopfdichte, Füllfaktor 89  
        3.2.2?Rieselfähigkeit, Schüttwinkel, Rutschwinkel 91  
     3.3?Bestimmung von Fluideigenschaften 92  
        3.3.1?Rheologische Grundlagen 92  
           3.3.1.1?Viskosität Newton’scher und nicht-Newton’scher Fluide 92  
           3.3.1.2?Temperatur- und Druckabhängigkeit der Viskosität 96  
           3.3.1.3?Molmasseneinfluss auf die Viskosität 96  
           3.3.1.4?Volumeneigenschaften 96  
        3.3.2?Messung rheologischer Eigenschaften 97  
           3.3.2.1?Rheometrie/Viskosimetrie 97  
           3.3.2.2?Rotationsrheometer 98  
           3.3.2.3?Kapillarrheometer 105  
           3.3.2.4?Dehnrheometer 116  
        3.3.3?Auswahl von Messmethoden zur rheologischen Charakterisierung von Polymerwerkstoffen 119  
     3.4?Zusammenstellung der Normen 120  
     3.5?Literatur 121  
  4?Mechanische Eigenschaften von Kunststoffen 124  
     4.1?Grundlagen mechanischen Verhaltens 124  
        4.1.1?Mechanische Beanspruchungsgrößen 124  
           4.1.1.1?Spannung 124  
           4.1.1.2?Deformation 127  
        4.1.2?Werkstoffverhalten und Stoffgesetze 128  
           4.1.2.1?Elastisches Verhalten 128  
           4.1.2.2?Viskoses Verhalten 132  
           4.1.2.3?Viskoelastisches Verhalten 133  
           4.1.2.4?Plastisches Verhalten 139  
     4.2?Mechanische Spektroskopie 141  
        4.2.1?Experimentelle Bestimmung zeitabhängiger mechanischer Eigenschaften 142  
           4.2.1.1?Statische Prüfverfahren 142  
           4.2.1.2?Dynamisch-Mechanische Analyse (DMA) 143  
        4.2.2?Zeit- und Temperaturabhängigkeit der viskoelastischen Eigenschaften 151  
        4.2.3?Strukturelle Einflussgrößen auf die viskoelastischen Eigenschaften 154  
     4.3?Quasistatische Prüfverfahren 156  
        4.3.1?Deformationsverhalten von Kunststoffen 156  
        4.3.2?Zugversuch an Kunststoffen 162  
           4.3.2.1?Theoretische Grundlagen des Zugversuches 162  
           4.3.2.2?Der konventionelle Zugversuch 166  
           4.3.2.3?Erweiterte Aussagemöglichkeiten des Zugversuches 175  
        4.3.3?Weiterreißversuch 182  
        4.3.4?Druckversuch an Kunststoffen 184  
           4.3.4.1?Theoretische Grundlagen des Druckversuchs 184  
           4.3.4.2?Durchführung und Auswertung des Druckversuches 187  
        4.3.5?Biegeversuch an Kunststoffen 192  
           4.3.5.1?Theoretische Grundlagen des Biegeversuches 192  
           4.3.5.2?Der genormte Biegeversuch 198  
     4.4?Schlagartige Beanspruchung 203  
        4.4.1?Einführung 203  
        4.4.2?Schlagbiegeversuch und Kerbschlagbiegeversuch 204  
        4.4.3?Schlagzugversuch und Kerbschlagzugversuch 210  
        4.4.4?Fallbolzenversuch und Durchstoßversuch 212  
     4.5?Ermüdungsverhalten 216  
        4.5.1?Allgemeine Grundlagen 216  
        4.5.2?Experimentelle Ermittlung des Ermüdungsverhaltens 218  
        4.5.3?Planung und Auswertung von Ermüdungsversuchen 223  
        4.5.4?Einflussgrößen auf das Ermüdungsverhalten und die Lebensdauervorhersage von Kunststoffen 224  
     4.6?Statisches Langzeitverhalten 227  
        4.6.1?Allgemeine Grundlagen 227  
        4.6.2?Zeitstandzugversuch 228  
        4.6.3?Zeitstandbiegeversuch 235  
        4.6.4?Zeitstanddruckversuch 237  
     4.7?Härteprüfverfahren 238  
        4.7.1?Grundlagen der Härteprüfung 238  
        4.7.2?Konventionelle Härteprüfverfahren 240  
           4.7.2.1?Prüfverfahren zur Ermittlung von Härtewerten nach Entlastung 240  
           4.7.2.2?Prüfverfahren zur Ermittlung von Härtewerten unter Last 243  
           4.7.2.3?Sonderverfahren 246  
           4.7.2.4?Vergleichbarkeit von Härtewerten 247  
        4.7.3?Instrumentierte Härteprüfung 248  
           4.7.3.1?Grundlagen der Messmethodik 248  
           4.7.3.2?Werkstoffkenngrößen der instrumentierten Härteprüfung 250  
           4.7.3.3?Anwendungsbeispiele 253  
        4.7.4?Korrelationen der Mikrohärte mit Streckgrenze und Zähigkeit 256  
     4.8?Reibung und Verschleiß 259  
        4.8.1?Einleitung 259  
        4.8.2?Grundlagen von Reibung und Verschleiß 261  
           4.8.2.1?Reibungskräfte 261  
           4.8.2.2?Temperaturerhöhung als Folge der Reibung 262  
           4.8.2.3?Verschleiß als Systemeigenschaft 263  
           4.8.2.4?Verschleißmechanismen und Transferfilmbildung 263  
        4.8.3?Verschleißprüfung und Verschleißkenngrößen 264  
           4.8.3.1?Ausgewählte Modell-Verschleißprüfungen 265  
           4.8.3.2?Verschleißkenngrößen und deren Ermittlung 267  
           4.8.3.3?Verschleißkenngrößen und deren Darstellung 268  
        4.8.4?Ausgewählte experimentelle Ergebnisse 269  
           4.8.4.1?Einfluss des Gegenpartners 269  
           4.8.4.2?Einfluss von Füllstoffen 270  
           4.8.4.3?Einfluss der Belastungsparameter 272  
           4.8.4.4?Eigenschaftsvorhersage mittels neuronaler Netze 274  
        4.8.5?Abschließende Bewertung 276  
     4.9?Zusammenstellung der Normen 276  
     4.10?Literatur 284  
  5?Zähigkeitsbewertung mit bruchmechanischen Methoden 292  
     5.1?Einführung 292  
     5.2?Stand und Entwicklungstendenzen 293  
     5.3?Grundaussagen bruchmechanischer Konzepte 295  
        5.3.1?Linear-elastische Bruchmechanik (LEBM) 295  
        5.3.2?Crack Tip Opening Displacement-(CTOD-)Konzept 299  
        5.3.3?J-Integral-Konzept 303  
        5.3.4?Risswiderstands-(R-)Kurven-Konzept 305  
     5.4?Experimentelle Bestimmung bruchmechanischer Kennwerte 307  
        5.4.1?Quasistatische Beanspruchung 307  
        5.4.2?Instrumentierter Kerbschlagbiegeversuch 311  
           5.4.2.1?Prüfanordnung 311  
           5.4.2.2?Einhaltung experimenteller Bedingungen 312  
           5.4.2.3?Typen von Schlagkraft-Durchbiegungs-Diagrammen – Optimierung der Diagrammform 314  
           5.4.2.4?Spezielle Näherungsverfahren zur Bestimmung von J-Werten 316  
           5.4.2.5?Anforderungen an die Prüfkörpergeometrie 319  
        5.4.3?Instrumentierter Fallversuch 321  
     5.5?Anwendungen in der Werkstoffentwicklung 323  
        5.5.1?Bruchmechanische Zähigkeitsbewertung von modifizierten Kunststoffen 323  
           5.5.1.1?Teilchengefüllte Kunststoffe 323  
           5.5.1.2?Faserverstärkte Kunststoffe 327  
           5.5.1.3?Blends und Copolymere 332  
        5.5.2?Anwendung des instrumentierten Schlagzugversuchs zur Erzeugnisbewertung 338  
        5.5.3?Berücksichtigung des Bruchverhaltens bei der Werkstoffauswahl und Dimensionierung 342  
     5.6?Zusammenstellung der Normen 344  
     5.7?Literatur 346  
  6?Prüfung physikalischer Eigenschaften 350  
     6.1?Thermische Eigenschaften 350  
        6.1.1?Einleitung 350  
        6.1.2?Wärmeleitfähigkeitsbestimmung 352  
        6.1.3?Dynamische Differenz-Thermoanalyse (DSC) 357  
        6.1.4?Thermogravimetrische Analyse (TGA) 362  
        6.1.5?Thermomechanische Analyse (TMA) 364  
     6.2?Optische Eigenschaften 368  
        6.2.1?Einführung 368  
        6.2.2?Reflexion und Brechung 369  
           6.2.2.1?Gerichtete und diffuse Reflexion 369  
           6.2.2.2?Brechzahlbestimmung 369  
        6.2.3?Dispersion 374  
        6.2.4?Polarisation 375  
           6.2.4.1?Optische Aktivität 375  
           6.2.4.2?Polarisationsoptische Bauelemente 375  
           6.2.4.3?Polarisationsoptische Untersuchungsverfahren 377  
        6.2.5?Transmission, Absorption und Reflexion 384  
        6.2.6?Glanz, Innere Remission und Trübung 385  
        6.2.7?Farbe 389  
        6.2.8?Transparenz und Durchsichtigkeit 393  
        6.2.9?Infrarotspektroskopie 396  
        6.2.10?Lasertechnik 399  
        6.2.11?Prüfung auf die Konstanz optischer Werte 400  
     6.3?Elektrische und dielektrische Eigenschaften 402  
        6.3.1?Einleitung 402  
        6.3.2?Physikalische Grundlagen 405  
        6.3.3?Elektrische Leitfähigkeit und Widerstand 408  
           6.3.3.1?Durchgangswiderstand 409  
           6.3.3.2?Oberflächenwiderstand 411  
           6.3.3.3?Isolationswiderstand 413  
           6.3.3.4?Messverfahren 413  
           6.3.3.5?Kontaktierung und Prüfkörpervorbereitung 416  
        6.3.4?Dielektrische Eigenschaften und dielektrische Spektroskopie 417  
           6.3.4.1?Relaxationsprozesse 418  
           6.3.4.2?Wechselstromleitfähigkeit 426  
           6.3.4.3?Breitbandige dielektrische Messtechnik 428  
        6.3.5?Spezielle technische Prüfverfahren 435  
           6.3.5.1?Elektrostatische Aufladung 435  
           6.3.5.2?Elektrische Festigkeit 437  
           6.3.5.3?Kriechstromfestigkeit und Lichtbogenfestigkeit 442  
     6.4?Zusammenstellung der Normen 444  
     6.5?Literatur 450  
  7?Bewertung der Spannungsriss­beständigkeit 456  
     7.1?Allgemeine Bemerkungen zum Versagen von Kunststoffen in aggressiven Medien 456  
     7.2?Prüfung der Spannungsrissbeständigkeit 460  
        7.2.1?Prüfmethoden zur Bestimmung der umgebungsbedingten Spannungsrissbildung 460  
        7.2.2?Beispiele zur Bewertung der Spannungsrissbeständigkeit mit standardisierten Prüfverfahren 464  
        7.2.3?Bruchmechanische Prüfmethoden 468  
     7.3?Modellbetrachtungen zum Versagen von Kunststoffen in Medien durch Spannungsrisse 472  
     7.4?Einflussgrößen auf das Spannungsrissverhalten 476  
        7.4.1?Vernetzung 476  
        7.4.2?Molmasse und Molmassenverteilung 477  
        7.4.3?Verzweigungen 479  
        7.4.4?Kristalline Bereiche 480  
        7.4.5?Molekülorientierung 481  
        7.4.6?Physikalisch-chemische Wechselwirkungsvorgänge 484  
        7.4.7?Viskosität des Umgebungsmediums 490  
        7.4.8?Einfluss der Prüfkörperdicke 495  
        7.4.9?Einfluss der Temperatur 497  
     7.5?Zusammenstellung der Normen und Richtlinien 500  
     7.6?Literatur 502  
  8?Zerstörungsfreie Kunststoffprüfung 506  
     8.1?Einleitung 506  
     8.2?Zerstörungsfreie Prüfung mit elektromagnetischen Wellen 508  
        8.2.1?Röntgenstrahlung 508  
           8.2.1.1?Projektionsverfahren mittels Absorption 509  
           8.2.1.2?Compton-Rückstreuung 511  
           8.2.1.3?Röntgen-Refraktometrie 512  
        8.2.2?Spektralbereich des sichtbaren Lichts 515  
           8.2.2.1?Dickenmessung an transparenten Bauteilen 515  
           8.2.2.2?Spannungsoptik an transparenten Bauteilen 515  
           8.2.2.3?Konfokale Laser-Scanning-Mikroskopie 516  
           8.2.2.4?Streifenprojektion zur Konturerfassung 518  
           8.2.2.5?Interferometrische Verfahren 519  
        8.2.3?Thermographie 524  
        8.2.4?Mikrowellen 525  
        8.2.5?Dielektrische Spektroskopie 529  
        8.2.6?Wirbelstrom 530  
     8.3?Zerstörungsfreie Prüfung mit elastischen Wellen 532  
        8.3.1?Elastische Wellen bei linearem Werkstoffverhalten 533  
           8.3.1.1?Ultraschall 533  
           8.3.1.2?Mechanische Vibrometrie 543  
        8.3.2?Elastische Wellen bei nichtlinearem Werkstoffverhalten 547  
           8.3.2.1?Grundlegendes zu elastischen Wellen im nichtlinearen Werkstoff 547  
           8.3.2.2?Nichtlinearer Luftultraschall 548  
           8.3.2.3?Nichtlineare Vibrometrie 551  
     8.4?Zerstörungsfreie Prüfung mit dynamischem Wärmetransport 554  
        8.4.1?Externe Anregung 554  
           8.4.1.1?Wärmeflussthermographie mit nichtperiodischem Wärmetransport 554  
           8.4.1.2?Thermographie mit periodischem Wärmetransport 556  
        8.4.2?Interne Anregung 560  
           8.4.2.1?Thermographie mit Anregung durch elastische Wellen 560  
           8.4.2.2?Thermographie mit anderen internen Anregungsarten 565  
     8.5?Ausblick 565  
     8.6?Literatur 567  
  9?Hybride Verfahren der Kunststoffdiagnostik 574  
     9.1?Zielstellung 574  
     9.2?Zugversuch, Schallemissionsprüfung und Videothermographie 576  
     9.3?Zugversuch und Laserextensometrie 579  
     9.4?Bruchmechanik und Zerstörungsfreie Prüfung 584  
     9.5?Literatur 588  
  10?Prüfung von Verbundwerkstoffen 592  
     10.1?Einführung 592  
     10.2?Theoretischer Hintergrund 594  
        10.2.1?Anisotropie 594  
        10.2.2?Elastische Eigenschaften von Laminaten 595  
        10.2.3?Einfluss von Feuchtigkeit und Temperatur 596  
        10.2.4?Laminattheorie und Hauptsatz nach St. Venant 596  
        10.2.5?Anwendung Bruchmechanischer Konzepte für FVW 597  
     10.3?Prüfkörperherstellung 600  
        10.3.1?Laminatherstellung 600  
        10.3.2?Prüfkörpervorbereitung für unidirektionale Beanspruchung 602  
     10.4?Bestimmung des Faservolumengehalts 603  
     10.5?Mechanische Prüfmethoden 605  
        10.5.1?Zugversuche 605  
        10.5.2?Druckversuche 608  
        10.5.3?Biegeversuche 612  
        10.5.4?Interlaminare Scherfestigkeit 615  
        10.5.5?Schubversuche 616  
           10.5.5.1?± 45° Off-Axis Zugversuch 616  
           10.5.5.2?10° Off-Axis Zugversuch 618  
           10.5.5.3?Two- und Three-Rail Scherversuche 619  
           10.5.5.4?Iosipescu Schubversuch 620  
           10.5.5.5?Plate-Twist Schubversuch 621  
           10.5.5.6?Torsion dünnwandiger Rohre 622  
     10.6?Bruchmechanische Prüfmethoden 624  
        10.6.1?Experimentelle Prüfung von FVW 624  
        10.6.2?Spezielle Prüfkörperformen 625  
           10.6.2.1?Prüfkörper für Mode I-Beanspruchung 625  
           10.6.2.2?Prüfkörper für Mode II-Beanspruchung 626  
           10.6.2.3?Mixed Mode-Prüfkörper 629  
        10.6.3?Bruchmechanische Kennwerte von FVW 632  
     10.7?Spezifische Prüfmethoden 633  
        10.7.1?Edge-Delamination Test (EDT) 633  
        10.7.2?Boeing Open-Hole Compression Prüfung 634  
     10.8?Schälfestigkeit biegeweicher Laminate 635  
     10.9?Schlagbeanspruchung und Schadenstoleranz 637  
     10.10?Zusammenstellung der Normen und Richtlinien 641  
     10.11?Literatur 644  
  11?Technologische Prüfverfahren 646  
     11.1?Wärmeformbeständigkeit 646  
        11.1.1?Grundlagen und Definitionen 646  
        11.1.2?Bestimmung der Wärmeformbeständigkeitstemperatur HDT und der Vicat-Erweichungstemperatur 647  
        11.1.3?Anwendungsbeispiele zur Aussagefähigkeit der Vicat- und HDT-Prüfung 650  
     11.2?Brandverhalten 654  
        11.2.1?Einleitung 654  
        11.2.2?Stufen eines Brandes und Brandparameter 657  
        11.2.3?Brandprüfungen 659  
           11.2.3.1?Neigung zu Schwelbrand 660  
           11.2.3.2?Entzündbarkeit 661  
           11.2.3.3?Flammenausbreitung 666  
           11.2.3.4?Wärmefreisetzung 669  
           11.2.3.5?Feuerwiderstand 671  
           11.2.3.6?Löschbarkeit 672  
           11.2.3.7?Rauchentwicklung 672  
        11.2.4?Die Anwendung des Cone-Kalorimeters zur Charakterisierung des Brandverhaltens 674  
     11.3?Bauteilprüfung 679  
        11.3.1?Einführung 679  
        11.3.2?Basisprüfmethoden 680  
           11.3.2.1?Allgemeines 680  
           11.3.2.2?Prüfung äußerer Merkmale 682  
           11.3.2.3?Prüfung von Werkstoffeigenschaften 683  
           11.3.2.4?Prüfung der Gebrauchstauglichkeit 685  
        11.3.3?Prüfung von Kunststoffrohren 686  
           11.3.3.1?Qualitätssicherung bei Kunststoffrohren 686  
           11.3.3.2?Prüfung des Zeitstandinnendrucks von Kunststoffrohren 688  
        11.3.4?Prüfung von Kunststoffbauteilen für Anwendungen im Automobilbau 691  
           11.3.4.1?Anforderungen an die Prüfung 691  
           11.3.4.2?Mechanische Prüfungen 691  
           11.3.4.3?Permeations- und Emissionsprüfungen 693  
        11.3.5?Prüfung von Kunststoffbauteilen für Anwendungen im Bauwesen 696  
           11.3.5.1?Einleitung 696  
           11.3.5.2?Prüfung von Sandwichelementen 697  
           11.3.5.3?Prüfung von Kunststoffmantelrohren 700  
     11.4?Implantatprüfung 705  
        11.4.1?Einführung 705  
        11.4.2?Push-out Test an Implantaten 707  
        11.4.3?Prüfung des Einsatzverhaltens von pharyngo-trachealen Stimmprothesen 710  
        11.4.4?Ermittlung der mechanischen Eigenschaften von humanem Knorpel 713  
     11.5?Zusammenstellung der Normen 716  
     11.6?Literatur 720  
  12?Mikroprüftechnik 724  
     12.1?Einführung 724  
     12.2?Kennwertermittlung an Mikroprüfkörpern 728  
        12.2.1?Mikrozugprüfung 728  
        12.2.2?Bruchmechanische Untersuchungen mit Hilfe von miniaturisierten Compact Tension (CT)-Prüfkörpern 732  
     12.3?Nano-Eindringprüfung 735  
     12.4?Prüfmethoden auf dem Weg in die Nanowelt 737  
        12.4.1?Berührungslose Verschiebungsfeldbestimmung durch digitale Bildkorrelation (Grauwertkorrelationsanalyse) 737  
        12.4.2?In-situ-Deformationsmessungen im Atomkraftmikroskop (AFM) 739  
     12.5?Literatur 744  
  Sachwortverzeichnis 746  

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