Environmental stress cracking


Environmental stress cracking

Wird ein Kunststoff an der Luft unterhalb seiner Streckgrenze mechanisch belastet, so können nach einem bestimmten Zeitraum, der sehr lang sein kann, Spannungsrisse auftreten. Ursache können innere oder äußere oder eine Kombination beider Spannungstypen sein. Die gleichzeitige Beanspruchung durch ein chemisches Medium kann zu einer drastischen Verkürzung der Zeitspanne bis zum Bruch führen. Dieses Phänomen wird als umgebungsbedingte Spannungsrissbildung (environmental stress cracking = ESC) bezeichnet.

Inhaltsverzeichnis

Mechanismus

ESC wird üblicherweise auf folgende Prozesse zurückgeführt
  1. Bildung von Mikrohohlräumen in Probekörpern durch mikroskopisch kleine Spannungskonzentration nach Aufbringen einer mechanischen Spannung.
  2. Bildung und anschließendes Wachstum von Makrohohlräumen, hervorgerufen durch die Aufspaltung intermolekularer Bindungen in benachbarten Hohlräumen, die durch die chemische Umgebung bewirkt wird, und Bildung von Crazes.
  3. Wachstum der Haarrisse, verursacht durch Zerreißen der Fibrillen infolge der aufgebrachten Spannung und Kontakt mit der chemischen Umgebung.
  4. Schließlich breitet sich an der Spitze des Haarrisses ein Riss aus, der zum Sprödbruch führt. Die Risse können die Dicke des Materials vollständig durchwandern und es in zwei oder mehrere Stücke trennen oder sie können zur Ruhe kommen, sobald sie in Bereiche gelangen, in denen eine geringere Spannung oder unterschiedliche Materialmorphologie herrscht.

Messmethodik

Die Bestimmung der ESC ist kompliziert, weil sie von vielen Parametern beeinflusst wird. Dies können u. a. Probekörperzustand (Orientierung, Struktur, Eigenspannungen) und -herstellung, thermische Vorgeschichte des Probekörpers, chemische Umgebung sein.

In DIN EN ISO 22088 sind fünf verschiedene Verfahren zur ESC-Bestimmung genormt
  1. Verfahren, bei dem ein Probekörper, während er bei festgelegter Temperatur in ein Spannungsrisse bewirkendes Medium eingetaucht ist, einer konstanten Zugbelastung ausgesetzt wird.
  2. Verfahren, bei dem Kunststoffstreifen unter konstanter Biegezugdehnung angeordnet und für eine zuvor festgelegte Zeitdauer einem Spannungsrisse bewirkenden Medium ausgesetzt sind.
  3. Verfahren, bei dem in den Probekörper ein Loch mit vorgegebenem Durchmesser gebohrt und eine Kugel oder ein Rundstift mit Übermaß in die Bohrung hineingedrückt wird, während der Probekörper mit einem Spannungsrisse bewirkenden Medium in Kontakt gebracht wird.
  4. Verfahren, bei dem auf einen Probekörper eine konstante Zugverformungskraft ausgeübt wird, während dieser bei einer für die Prüfung ausgewählten Temperatur in ein Spannungsrisse bewirkendes Medium eingetaucht ist.
  5. Verfahren, bei dem auf einen Probekörper eine langsame Dehnrate angewendet wird, während dieser in ein Spannungsrisse bewirkendes Medium eingetaucht ist.

Gegenstand ist jeweils die Bestimmung der relativen Auswirkung der Belastung durch chemische Medien (Umgebung) auf Kunststoffe (Probekörper und Fertigteile). Es ist jedoch häufig nicht möglich, einen Zusammenhang zwischen den Ergebnissen von ESC-Kurzzeitmessungen an Probekörpern und dem tatsächlichen Gebrauchsverhalten von Fertigteilen herzustellen.

Full Notch Creep Test

Der Full Notch Creep Test (FNCT) ist eine der Prüfmethoden zur Bestimmung des langsamen Risswachstumsverhaltens von Polyethylen unter Wirkung eines Netzmittels, das zur Beschleunigung des Versuchs eingesetzt wird. Der FNCT ist in der Vorschrift ISO 16770 "Plastics – Determination of environmental stress cracking (ESC) of polyethylene – Full-notch creep test (FNCT)" international geregelt und auch auf deutsch als Kunststoffe – Bestimmung der Spannungsrissbeständigkeit von Polyethylen unter Medieneinfluss (ESC) – Kriechversuch an Probekörpern mit umlaufender Kerbe (FNCT) verfügbar. Der aktuelle Stand ist vom 1. Februar 2004.

Versuchsprinzip

Als Proben kommen rechteckige gefertigte, vorzugsweise in der Größe 10×10×100 mm³, Muster aus gepressten Platten oder Fertigprodukten (z. B. aus einer Rohrwand) zum Einsatz. Diese werden mit einer umlaufenden Kerbe (Full notch) versehen, die zur Rissinitiierung dient. Zur Versuchsbeschleunigung wird bei erhöhter Temperatur (50–95 °C) und unter der Wirkung eines Netzmittels (ARKOPAL N100 bzw. ARKOPAL N110) geprüft. Die Probekörper werden unter diesen Umweltbedingungen einer konstanten Last ausgesetzt und die Zeit bis zum Bruch detektiert. Diese Lasten werden so gewählt, dass üblicherweise Spannungen von 4 bis 5 MPa im gekerbten Restquerschnitt der Probe wirken und langsames Risswachstum – slow crack growth (SCG) stattfindet. Da der Versuch in einem Netzmittel stattfindet, zählt man ihn auch zur umgebungsbedingten Spannungsrissbildung.

Siehe auch


Wikimedia Foundation.

Schlagen Sie auch in anderen Wörterbüchern nach:

  • Environmental stress cracking — (ESC) is one of the most common causes of unexpected brittle failure of thermoplastic (especially amorphous) polymers known at present. Environmental stress cracking may account for around 15 30% of all plastic component failures in service.H. F …   Wikipedia

  • Environmental stress fracture — In materials science, environmental stress fracture or environment assisted fracture is the generic name given to premature failure under the influence of tensile stresses and harmful environments of materials such as metals and alloys,… …   Wikipedia

  • Stress corrosion cracking — (SCC) is the unexpected sudden failure of normally ductile metals or tough thermoplastics subjected to a tensile stress in a corrosive environment, especially at elevated temperature (in the case of metals). SCC is highly chemically specific in… …   Wikipedia

  • Season cracking — The problem of season cracking is known from brass cartridge failures during the monsoon season in India in the 1920s, failures which were caused by attack of the metal by ammonia. The edges of rifle cases cracked and could cause misfiring of… …   Wikipedia

  • Ozone cracking — in natural rubber tubing Cracks can be formed in many different elastomers by ozone attack, and the characteristic form of attack of vulnerable rubbers is known as ozone cracking. The problem was formerly very common, especially in tires, but is… …   Wikipedia

  • ESCR — Environmental Stress Cracking Resistance (Miscellaneous » Plastics) …   Abbreviations dictionary

  • Polymer degradation — is a change in the properties tensile strength, colour, shape, etc of a polymer or polymer based product under the influence of one or more environmental factors such as heat, light or chemicals. These changes are usually undesirable, such as… …   Wikipedia

  • Forensic polymer engineering — The study of failure in polymeric products is called forensic polymer engineering. The topic includes the fracture of plastic products, or any other reason why such a product fails in service, or fails to meet its specification. The subject… …   Wikipedia

  • Polymer — Appearance of real linear polymer chains as recorded using an atomic force microscope on surface under liquid medium. Chain contour length for this polymer is 204 nm; thickness is 0.4 nm.[1] A polymer is a large molecule (macromolecule …   Wikipedia

  • Forensic chemistry — is the application of chemistry to law enforcement or the failure of products or processes. Many different analytical methods may be used to reveal what chemical changes occurred during an incident, and so help reconstruct the sequence of events …   Wikipedia