Untersuchung und Simulation des Einflusses ... - Neue Verpackung

ELASTOMERE UND KUNSTSTOFFE
ELASTOMERS AND PLASTICS
Ermüdungseigenschaften dynamisches
Risswachstum Bruchmechanik
Lebensdauersimulation Modell-
Fehlstellen Füllstoffdispersion
Agglomerate
Ziel der Forschungsarbeit ist es, den
Einfluss von Fehlstellen, hier von Glaskugeln
als Modellfehlstellen, auf die Ermüdungs-
und Risswachstumseigenschafatten
von Elastomerwerkstoffen zu
untersuchen. Weiter ist es Ziel, Vorausberechnungen
der Ermüdung auf Basis
bruchmechanischer Kennwerte vorzunehmen
und mit dem Experiment zu
vergleichen. Hierzu wurden einem
EPDM-Werkstoff Glaskugeln mit systematisch
variiertem Durchmesser beigemischt.
Mit steigendem Durchmesser der
Glaskugeln sinkt die Ermüdungsbeständigkeit
der Werkstoffe, während die
Risswachstumseigenschaften kaum beeinflusst
werden. Bruchmechanische
Berechnungen der Ermüdung bzw. Lebensdauer
unter Kenntnis der Fehlstellengröße
(Glaskugeldimensionen) führten
zu einer sehr guten Übereinstimmung
mit den experimentellen Ergebnissen.
Investigation and Simulation of
the Influence of Flaws on the
Cut Growth Resistance and the
Fatigue of Elastomers
Fatigue properties Dynamic crack propagation
Fracture mechanics Fatigue
life simulation Model flaws Filler dispersion
Agglomerates
The objective of the research presented
in this paper is to investigate the influence
of glass spheres as model flaws on
the fatigue to failure and crack propagation
properties of rubber materials. A
second objective was to predict fatigue
to failure properties with fracture mechanics
calculations based on crack propagation
properties and to compare
these with experimental observations.
Glass spheres of different sizes were
added to an EPDM material for this
purpose. The glass spheres reduced the
fatigue to failure properties of the EPDM
material considerably depending on the
size of the spheres. Crack propagation
properties were influenced to a minor
extent. Fracture mechanics calculations
with known initial flaw (glass sphere)
sizes resulted in good to excellent correlation
with fatigue to failure experiments
Untersuchung und Simulation
des Einflusses von Fehlstellen
auf das Risswachstum und die
Ermüdung von Elastomeren
Elastomere zeigen im Vergleich zu anderen
Werkstoffen eine sehr hohe Verformung
schon bei relativ niedrigen Spannungen,
was sie zu einem interessanten Konstruktionswerkstoff,
insbesondere in der Verkehrstechnik
macht. Sie haben jedoch auch vieles
gemeinsam mit anderen Werkstoffen, so
eine limitierte Festigkeit und eine Tendenz
zur Ermüdung und zum Risswachstum. Mechanische
Ermüdung von Elastomeren zeigt
sich beispielsweise in einem permanenten
Abfall des Moduls mit zunehmender Lastspielzahl,
was auf einen Abbau charakteristischer
Strukturen (Füllstoffnetzwerk
usw.) sowie möglicherweise Mikrorissbildung
zurückgeführt wird.
Die Ermüdungseigenschaften einer Reihe
von Werkstoffen wie Metallen und Keramiken
sind gut untersucht und beschrieben in
der Literatur. Dabei wurden sowohl Tests
unter Variation der Spannungsamplitude
als auch der Minimalspannung durchgeführt
und die Resultate in Wöhler-Kuven
bzw. Haigh-Diagrammen dargestellt. Deutlich
weniger Studien befassen sich mit der
Ermüdung von Elastomeren und der überwiegende
Teil bezieht sich auf Naturkautschuk
(NR). Der Einfluss der Amplitude
und der Minimalspannung auf die Ermüdungsbeständigkeit
ist von André et. al.
[1] eingehend untersucht worden, wobei
gezeigt wurde, dass eine Erhöhung der Minimalspannung
aus dem Nullniveau heraus
bei konstanter Spannungsamplitude und
mit einer Erhöhung der Maximalspannung
zu einem Anwachsen der Lebensdauer
führt. Dieser Effekt ist schon vorher von
Gent [2] gefunden und einer Unterdrükkung
des Risswachstums durch die Dehnungskristallisation
des NR zugeordnet
worden.
In einer Serie von Studien des Deutschen Instituts
für Kautschuktechnologie e.V. (DIK)
konnte nachgewiesen werden, dass auch
im Falle von gefüllten EPDM- und SBR-
Werkstoffen aus einer Erhöhung der Minimalspannung
eine höhere Lebensdauer
und eine verringerte Risswachstumsgeschwindigkeit
resultiert [3 – 7]. Ziel war es
dabei einerseits die Hypothese der Dehnungskristallisation
als Hauptgrund für diesen
Effekt zu überprüfen, andererseits sollte
die Rolle von Füllstoffen (sowohl Ruße als
auch Kieselsäuren) untersucht werden. Im
Ergebnis dieser Studien kann festgehalten
werden, dass nicht allein die ausgeprägte
Dehnungskristallisation von NR als Ursache
für den Minimalspannungseffekt angesehen
werden kann. Vielmehr scheint die Verstärkung
durch Füllstoffe wesentlich für
den Effekt zu sein, da die untersuchten ungefüllten
EPDM- und SBR-Werkstoffe keine
Minimalspannungsabhängigkeit gezeigt
haben.
Ein weiteres wesentliches Ziel dieser Untersuchungen
war es, der Frage nach einem
eindeutigen Schädigungsparameter bzw.
Ausfallkriterium nachzugehen, da weder
die Maximalspannung, wie oben angesprochen,
noch die Verformung geeignet ist. Die
bisherigen Untersuchungen haben ergeben,
dass Energiekriterien die besten Voraussetzungen
zur präzisen Vorhersage der Ermüdung
bzw. der Lebensdauer bieten. Ein Vergleich
der EPDM- und SBR-Werkstoffe [7, 8]
ergab jedoch eine deutlich bessere Ermüdungsbeständigkeit
des EPDM-Werkstoffs,
während die SBR-Werkstoffe in der dynami-
Autoren
F. Abraham, G. Clauß, Heilbronn,
T. Alshuth, J. Kroll, Hannover
Korrespondenz:
Dr. Thomas Alshuth
DIK e.V.
Eupener Str. 33
30519 Hannover
Tel.: 05 11/8 42 01-0
Fax: 05 11/8 38 68 26
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schen Risswachstumsbeständigkeit weit
überlegen waren.
Konsequenterweise ergaben bruchmechanische
Berechnungen zur Vorhersage der
Lebensdauer bzw. Ermüdung der Laborprüfkörper
auf Basis der Risswachstumskennwerte
eine fehlerhafte Reihung der Werkstoffe.
Damit stellt sich die Frage nach der
Zuverlässigkeit von Annahmen über die
charakteristischen Fehlstellen in den verwendeten
Werkstoffen, da die Fehlstellengröße
Ausgangspunkt der Berechnungen
ist und eine Umkehrung der Reihung eintreten
kann, wenn in den Werkstoffen unterschiedliche
Fehlstellengrößen vorliegen. Ein
erstes Ziel dieser Untersuchung ist es, definierte
Fehlstellen mit systematisch variierter
Größe in den Werkstoffen zu erzeugen
und deren Auswirkungen auf die Ermüdungsbeständigkeit
und die dynamische
Risswachstumsbeständigkeit zu charakterisieren.
Dabei werden Glaskugeln unterschiedlichen
Durchmessers als Modellfehlstellen
eingesetzt. Ein zweites Ziel ist es,
startend mit bekannter Fehlstellengröße
und ermittelten Kennwerten des dynamischen
Risswachstums bruchmechanische
Berechnungen der Ermüdung bzw. Lebensdauer
von Laborprüfkörpern mit experimentellen
Daten zu vergleichen.
&1
Materialien und Methoden
Für die Untersuchung wurde ein bereits früher
verwendeter EPDM-Werkstoff [3 – 8]
eingesetzt. Die Kautschukmischungen bestanden
aus einem handelsüblichen EPDM
(Buna EP G5450), einem beschleunigten
Schwefelvernetzungssystem, 70 phr Ruß
N550, 40 phr Ruß N772 und 70 phr Weichmacher.
Dieser Referenzmischung mit natürlichen
Fehlstellen wurden Glaskugeln
bekannter Größe in einer Konzentration
von 10 phr beigemischt. Außer der Referenz-
oder Basismischung wurden vier Mischungen
mit Glaskugeln von 203 lm,
119 lm, 71 lm und 35 lm hergestellt
(Abb. 1). Es wurde überprüft, dass diese
massiven Kugeln während des Einmischens
nicht beschädigt werden.
Die Ermüdungsuntersuchungen wurden an
Hantelprüfkörpern mit einer freien Einspannlänge
von 25 mm und einem Durchmesser
von 15 mm in Zug durchgeführt
(siehe Abraham et. al. [4]). Dabei wurde
ein servohydraulisches Testsystem MTS
831.50 benutzt. Die Untersuchungen erfolgten
bei 1 Hz Sinus unter Kraftkontrolle bei
Raumtemperatur. In Einstufenversuchen
mit Null Unterlast wurden die Prüfkörper
bis zum Komplettausfall zyklisch belastet,
wobei kontinuierlich die dynamischen Eigenschaften
wie Steifigkeit und Verlustfaktor
sowie komplette Hysteresezyklen aufgezeichnet
wurden. Pro Laststufe und Werkstoff
wurden mindestens drei Prüfkörper
untersucht.
Dynamische Risswachstumsuntersuchungen
sind an einseitig eingeschnittenen
Streifenprüfkörpern
von
60 mm 15 mm 1,5 mm in Zug durchgeführt
worden (single edge notched,
SEN). Einschnitte von ca. 1,5 mm Länge
wurden mit einer Rasierklinge vorgenommen.
Die Tests erfolgten mit einem „Tear-
Fatigue-Analyser“ System Bayer der Fa.
Coesfeld [9]. Dabei handelt es sich um ein
servohydraulisches Testsystem, in dem 10
Prüfkörper simultan untersucht werden
können, wobei über 10 Kraftmesseinrichtungen
die Unterlast geregelt und individuelle
Weg-Zeit-Verläufe aufgezeichnet werden
können. Mit Hilfe einer Kamera mit
nachgeschalteter Bildauswertung wird das
Risswachstum unter dynamischer Belastung
aufgezeichnet. Die Tests wurden bei
Raumtemperatur mit Verformungspulsen
von 50 ms bei einer Frequenz von 10 Hz
und einer Minimalkraft von 2 N durchge-
&1 Lichtmikroskopische Aufnahmen von Glaskugeln mit unterschiedlichem Durchmesser.
führt. Es wurden vier unterschiedliche Verformungsamplituden
gefahren, zur Sicherung
einer ausreichenden Statistik sind
mindestens 3 Prüfkörper pro Amplitude untersucht
worden. Die Datenaufzeichnung
liefert Spannungen, Verformungen, Energien
sowie die Risskonturlänge in Abhängigkeit
der Lastspielzahl. Damit stehen
alle Daten zur Bestimmung bruchmechanischer
Kennwerte (z.B. Tearing Energy, Risswachstumsgeschwindigkeit)
zur Verfügung.
Ergebnisse der
Ermüdungsuntersuchungen
Abb. 2 zeigt die Lastspielzahl bis zum Ausfall
bei variierter Maximalspannung für den
EPDM-Referenzwerkstoff sowie die Werkstoffe
mit Glaskugeln unterschiedlicher
Größe. Eingetragen sind jeweils die Mittelwerte
der Lebensdauern von mindestens
drei Hantelprüfkörpern. Wie zu vermuten,
zeigt das Referenzsystem ohne Glaskugeln
(*) die höchste Lebensdauer bzw. die geringste
Ermüdungstendenz, der Werkstoff
mit 203 lm Glaskugeln (~) erträgt im Vergleich
hierzu nur etwa 1/10 der Lastspielzahl.
Werden Glaskugeln von 35 lm (&) eingemischt,
liegt die Lebensdauer erwartungsgemäß
relativ nahe an dem Referenzwerkstoff.
Die Werkstoffe mit 71 lm und
119 lm (~) reihen sich dazwischen ein
und besitzen eine ähnlich reduzierte Lebensdauer.
Sehr aufschlussreich ist der Überblick der
Einzelergebnisse der Prüfkörper der Abb. 3.
Man erkennt, dass der Referenzwerkstoff
unter allen Testbedingungen die größte
Spannbreite bzw. Streuung der Lastspielzahlen
besitzt. Bei Zugabe der Kugeln von
35 lm reduziert sich die mittlere Lastspielzahl,
die Spannbreite Streuung nimmt ab.
Offenbar werden die „Langläufer“ durch Zugabe
der Modellfehlstellen weggekappt.
Dies setzt sich bei Zugabe immer größerer
Glaskugeln sukzessive fort. Bei 203 lm Glaskugeldurchmesser
ist die Spannbreite sehr
gering, gleichzeitig hat man den Eindruck,
dass die Ausgleichsgerade dieses Werkstoffs
in etwa die Untergrenze der „Kurzläufer“
des Referenzwerkstoffs ohne Glaskugeln bildet.
Unter Kenntnis der Tatsache, dass Ruß
in EPDM problematisch zu dispergieren ist,
könnten diese Beobachtungen folgendermaßen
erklärt werden: In dem Referenzwerkstoff
liegen Fehlstellen in Form von Rußagglomeraten
vor, die überwiegend kleiner
als 35 lm sind und damit die Langläufer erlauben.
Die Glaskugeln entfalten dann ihre
Fehlstellenwirkung, wenn zu wenig große
Rußagglomerate in einem Prüfkörper ent-
596 KGK November 2005

&2
&3
&2 Ermüdungseigenschaften eines EPDM-Werkstoffs ohne und mit
Glaskugeln, Maximalspannungsabhängigkeit (Wöhlerkurven),
Mittelwerte bei Prüfung von minimal drei Hantelprüfkörpern.
&3 Ermüdungseigenschaften eines EPDM-Werkstoffs ohne und mit
Glaskugeln, Maximalspannungsabhängigkeit, Einzelergebnisse bei
Prüfung von minimal drei Hantelprüfkörpern.
&4 &5
&4 Ermüdungseigenschaften eines EPDM-Werkstoffs ohne und mit
Glaskugeln, Maximalverformungsabhängigkeit, Mittelwerte bei
Prüfung von minimal drei Hantelprüfkörpern.
&5 Dynamische Risswachstumseigenschaften eines EPDM-Werkstoffs
ohne und mit Glaskugeln, Maximalspannungsabhängigkeit, Mittelwerte
bei Prüfung von minimal drei Streifenprüfkörpern.
halten sind (Kappung). Es muss jedoch auch
vereinzelt Agglomerate bis zu etwa 200 lm
geben, die die Kurzläufer des Referenzwerkstoffs
bedingen. Bei 200 lm-Glaskugeln
sollten dann sämtliche Kurzläufer weggekappt
sein, die Modellfehlstellen kontrollieren
das Ermüdungsverhalten bzw. die Lebensdauer.
Dieser Arbeitshypothese wird
unten nachgegangen. Zur Vervollständigung
der Ermüdungsergebnisse ist die Lastspielzahl
bei Variation der Maximalverformung
in Abb. 4 dargestellt. Mit zunehmendem
Glaskugeldurchmesser nimmt die Lebensdauer
sukzessive ab.
Ergebnisse der dynamischen
Risswachstumsuntersuchungen
Die Ergebnisse der Risswachstumsuntersuchungen
für die verschiedenen Glaskugelgefüllten
EPDM-Materialien in Abhängigkeit
der maximalen Dehnung finden sich
in Abb. 5. Die Versuche wurden Dehnungs-kontrolliert
durchgeführt und die
Pulse von 50 ms mit einer Frequenz von
10 Hz aufgebracht. Die in Abb. 5 gezeigten
Datenpunkte bilden die Mittelwerte der jeweiligen
Ergebnisse, die man bei Aufbringung
verschiedener Integraldehnungsamplituden
(15 %, 20 %, 30 %, 40 %) bei konstanter
Vorlast von 2 N erhält. Mit steigender
Dehnungsamplitude – und entsprechend
größeren Maximalspannungen –
steigt die Risswachstumsrate; entsprechend
nimmt die Zahl der Belastungszyklen
bis zum Durchriss ab. Verglichen mit den Lebensdauerdaten
zeigt sich das Risswachstum
durch die zugegebenen Glaskugeln
nur leicht beeinflusst.
&6 &6 Dynamische Risswachstumseigenschaften
eines
EPDM-Werkstoffs
ohne und mit
Glaskugeln, maximale
dynamische
Verformung,
Mittelwerte bei
Prüfung von minimal
drei Streifenprüfkörpern.
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ELASTOMERE UND KUNSTSTOFFE
ELASTOMERS AND PLASTICS
&7
&8
&7 Dynamische Risswachstumseigenschaften eines EPDM-Werkstoffs
ohne und mit Glaskugeln, Abhängigkeit von der Energiefreisetzungsrate
(Tearing-Energy), Mittelwerte bei Prüfung von minimal
drei Streifenprüfkörpern.
&8 Vergleich der berechneten und experimentell bestimmten Ermüdung
bzw. Lebensdauer von Hantelprüfkörpern in Abhängigkeit
von der Fehlstellengröße.
Das Verhalten der Werkstoffe bei Variation
der Dehnungsamplitude ist in Abb. 6 dargestellt.
Erneut ist der Einfluss der Glaskugelzugabe
gering. Es lässt sich allenfalls eine
leichte Tendenz zu – verglichen mit dem Referenzmaterial
– kleineren Risswachstumsraten
beobachten. Eine Erklärung könnte
darin liegen, dass die voranschreitende Rissspitze
von weniger als 30 lm Durchmesser
eine moderate bis starke Aufweitung beim
Auftreffen auf die nicht angebundenen,
teils deutlich größeren Glaskugeln erfährt.
Abb. 7 zeigt den Zusammenhang zwischen
Risswachstumsrate und der mittels Gleichung
(1) bestimmten Energiefreisetzungsrate
(Tearing-Energie T). Wie zuvor in den
Fällen von maximaler Spannung bzw. Dehnung
ist der Einfluss der Glaskugelzugabe
äußerst gering und vor allem nicht systematisch.
Simulation des Risswachstums
Unter Verwendung Bruchmechanischer Berechnungen
[10, 11] ist es nun möglich, die
Lebensdauer von Elastomerwerkstoffen
und Bauteilen unter dynamischer Beanspruchung
zu simulieren. Ausgangspunkt
hierfür ist die Energiefreisetzungsrate (Tearing-Energie
T), welche sich für den verwendeten
SEN-Prüfkörper und uniaxialem
Spannungszustand zu
T ¼ 2 k w c
ð1Þ
berechnet. In (1) bezeichnet w die Energiedichte,
c die Risslänge und k eine von der
Dehnung k abhängige Funktion
k ¼ p
ffiffiffi
ð2Þ
k
Für den technisch relevanten Bereich wird
eine lineare Zunahme des Logarithmus
der Risswachstumsrate dc/dn mit der Tearing-Energie
beobachtet (Abb. 7)
dc
dn ¼ B Tb
ð3Þ
wobei B und b experimentell zu bestimmende
Materialkonstanten sind. Integration
von (3) führt auf
" #
n ¼ 1
b 1 1
B ð2 k wÞ b
" #
1 1
c 0
b 1 c b 1
ð4Þ
In Gleichung (4) bezeichnet c 0 die Anfangsrisslänge.
Unter der Annahme, dass die Glaskugeln als
Fehlstellen der Anfangsrisslänge c 0 in einer
im Vergleich hierzu nahezu unendlichen
Umgebung mit uniaxialer Verformung anzusehen
sind, kann die Lebensdauer von
Hantelprüfkörpern mittels (4) berechnet
werden. Abb. 8 zeigt diese Lebensdauersimulationen
nðc 0 Þ in Abhängigkeit von c 0 ,
wobei angenommen wurde, dass die Hantelprüfkörper
bei einer erreichten Gesamtrisslänge
von 15 mm (Durchmesser der
Hanteln) ausfallen. Man beachte, dass die
Materialkennwerte B und b aus den dynamischen
Risswachstumsuntersuchungen
am Referenzwerkstoff stammen, die Energiedichte
w wurde aus den Ermüdungsuntersuchungen
an Hantelprüfkörpern bestimmt.
Für das mit 203 lm-Glaskugeln gefüllte
Material ist eine exzellente Übereinstimmung
zwischen Experiment und Simulation
zu beobachten. Diese wird systematisch
schlechter, je kleiner die zugegebenen
Glaskugeln sind.
Die Abnahme der experimentell bestimmten
Lebensdauer gegenüber den simulierten
würde sich nun konsistent in das Bild
einfügen, wenn die Fehlstellen im rußgefüllten
EPDM-Referenzwerkstoff von der
Größenordnung der größten zugegebenen
Glaskugeln sind.
Um diese Vermutung zu überprüfen, wurden
30 auflichtmikroskopische Aufnahmen
von Glanzschnitten des mit Ruß gefüllten
EPDM-Referenzwerkstoffs hinsichtlich der
Größenverteilung der Rußagglomerate untersucht.
Abb. 9 zeigt, dass die Mehrheit
der Rußagglomerate Durchmesser von weniger
als 60 lm aufweisen. Eine kleine Anzahl
(ca. 1 %) liegt jedoch auch im Bereich
100 – 300 lm – und ist somit z.T. größer
als die durchmessergrößten Glaskugeln.
Werden diese wenigen, unregelmäßig verteilten,
aber sehr großen Agglomerate als
Ausgangspunkte des Risswachstums angenommen,
so lassen sich die beobachteten
Streuungen in den Lebensdauern des rußgefüllten
Systems und deren systematische
Abnahme bei Glaskugelzugabe (größere
Glaskugeln – größere Reduktion der Streuung,
vgl. Abb. 3) erklären. Die nahezu vollständige
Reduktion der Streuung im Falle
der 203 lm messenden Glaskugeln unterstreicht
dann die Hypothese, dass die Rußagglomerate
als Lebensdauer-bestimmende
Fehlstellen angesehen werden können.
Zusammenfassung
Die vorgestellten Untersuchungen von
EPDM-Werkstoffe zeigen, dass die Einmischung
von in ihren Durchmessern systematisch
variierten Glaskugeln ein in hohem
Maße geeignetes Werkzeug darstellen, den
598 KGK November 2005

&9 &9 Größenverteilung
der Rußagglomerate
des EPDM-
Referenzwerkstoffs
aus einer
auflichtmikroskopischen
Untersuchung.
Die Untersuchung hat gezeigt, dass bruchmechanische
Kennwerte aus dynamischen
Risswachstumsuntersuchungen im Labor
unter Detailkenntnis der Fehlstellengröße
erfolgreich zur Vorhersage der Ermüdung
bzw. Lebensdauer von zumindest einfachen
Bauteilen (Hantelprüfkörpern) genutzt werden
können. Für die Praxis unterstreichen
die Ergebnisse der Untersuchung die Rolle
der Füllstoffdispersion und damit auch
der Mischtechnologie für die Optimierung
der Lebensdauer von Elastomerbauteilen.
Einfluss von Fehlstellen auf Lebensdauer
und Risswachstum zu modellieren. Die Zugabe
von Glaskugeln in EPDM führt bei Erhöhung
der Durchmesser und konstant gehaltener
Konzentration zu einer Abnahme
der Lebensdauer der aus diesen Werkstoffen
hergestellten Hantelprüfkörpern. Dabei
wird die Streuung in Lebensdauertests mit
der Zugabe der Glaskugeln gegenüber
einem rußgefüllten Referenzmaterial ohne
Glaskugeln systematisch reduziert. Dieser
Effekt kann erklärt werden, indem man Größe
und Anzahl der Rußagglomerate als den
lebensdauer-bestimmenden Faktor ansieht.
Der natürlichen Fehlstellenverteilung werden
die per Glaskugeln eingebrachten überlagert,
was zu einer Dominanz des Lebensdauerverhaltens
führt, wenn der Glaskugeldurchmesser
in den Bereich der größten Rußagglomerate
kommt. Dies begründet dann
die systematische Reduktion der Streuung
in den Lebensdauern mit der Erhöhung
der Glaskugelgröße. Einer großen Beeinflussung
der Lebensdauern auf der einen Seite
steht ein nur geringer Einfluss der Glaskugelgröße
auf das Risswachstum gegenüber.
Hier ist allenfalls eine leicht fallende Tendenz
bei Zugabe der Glaskugeln auszumachen.
Erklärt werden könnte diese durch
eine starke Aufweitung der Rissspitze im
Falle des Erreichens einer im Vergleich zur
natürlichen Rissspitze (ca. 30 lm) größeren
Glaskugel.
Eine Gegenüberstellung der experimentellen
Befunde und Simulationsdaten von Lebensdauern,
bei denen die Ausgangsrisslänge
mit der Fehlstellengröße identifiziert
wurde, zeigt eine exzellente Übereinstimmung
für den mit Glaskugeln von 203 lm
gefüllten Werkstoff. Die Zugabe von kleineren
Glaskugeln führt hingegen zu im Vergleich
zur Simulation geringeren Lebensdauern.
Als Erklärung für dieses Absinken
können die natürlichen, von Rußagglomeraten
eingebrachten Fehlstellen herangezogen
werden. Die Streuung der Lebensdauern,
die in Folge inhomogenen Agglomeratverteilung
von diesen Fehlstellen verursacht
wird, erfährt eine Reduktion, die zunimmt,
wenn größere Glaskugeln zugegeben werden.
In einem nächsten Schritt sollen daher
Systeme untersucht werden, deren natürliche
Fehlstellengröße durch Siebung (Strainern)
systematisch begrenzt ist. Darüber
hinaus ist zu prüfen, wie sich neben der
Fehlstellengröße die Glaskugelkonzentration
auf Lebensdauer bzw. Risswachstum
der Werkstoffe auswirkt, um auch den Einfluss
der Fehlstellenhäufigkeit herauszuarbeiten
und einen Anschluss an das Histogramm
der Füllstoffagglomerate zu ermöglichen.
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[11] R. Seldén, Progress in Rubber and Plastics Technology,
11 (1995) 56.
Autoren
Dr. Frank Abraham ist Post Doc im Automotive
Competence Center (ACC) der FH Heilbronn.
Dr. Thomas Alshuth leitet die Abteilung
Elastomerphysik des DIK. Prof. Dr. Georg
Clauss ist Professor an der FH Heilbronn.
Dr. Jochen Kroll ist stellvertretender Abteilungsleiter
Elastomerphysik im DIK.
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