ISSN:
0933-5137
Keywords:
Chemistry
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Polymer and Materials Science
Source:
Wiley InterScience Backfile Collection 1832-2000
Topics:
Mechanical Engineering, Materials Science, Production Engineering, Mining and Metallurgy, Traffic Engineering, Precision Mechanics
Description / Table of Contents:
Are the Standardized Methods of Testing Tensile and Impact Loads still up to Date? - New Ways of Dimensioning -Test specifications for polymer materials are derived from proven and standardized mechanical test methods used for determining the properties of metal materials. Having established that, apart from long-term testing methods, it is impossible to derive any dimensioning characteristic data from most test methods, the picture is very unsatisfactory indeed. Added to this is the fact that, in order to determine long-term properties, extremely time-consuming test methods (some-times lasting for more than one year) must be applied and that, in order to measure stresses in the short-term and impact loading range, it is impossible to do without experiments on practical building components involving complex technical measurements. This paper takes a critical look at these two groups of problems and puts forward fresh possibilities.dimensioning under impact loadcalculation of the long-term behaviour from short-term tensile tests.For amorphous plastics, we get, with decreasing time under load (〈 1 s) and decreasing temperatures, a transition from semi-tough to brittle material behaviour. For PMMA, an elongation at break threshold appears to exist at 2.2% and a threshold loadability at 135 N/mm2 in the region of impact loads. These values can be taken as a basis for dimensioning against impact. For most other thermoplastics examined here, the tendencies are the same, although exact thresholds cannot be given yet.It is also possible, from the curve of the shear modulus and mechanical loss factor as a function of temperature, to estimate a Young's modulus threshold, which shows good conformity with data measured in actual practice. For PMMA, the value is approx. 6,500 N/mm2. Form shear modulus and attenuation curves, it is also possible to estimate how dependent on velocity and temperature the mechanical properties of a material are (tough/brittle transition).Finally, it can be shown that it even seems possible, using the test method presented here, to draw conclusions from very short-term tests (〈 17 min.) about the long-term strength.The reason why the standardized short-term tensile test does not provide any characteristic material data suitable for the dimensioning is, in our opinion, that the major test condition, the strain rate, is not constant. Tests with constant strain rates, on the other hand, provide a readily describable deformation behaviour with which it is even possible to predict the long-term behaviour.In addition, scattering of the measurements is reduced in a remarkable manner. On varying the testing temperature, we get material data with which the time-temperature shifting principle leads to excellent agreement with results of earlier tests.In this way, we geht from short-term tests - at present, because of the fundamental nature of the tests, times of approx. 100 h are needed, though there are plans for a maximum testing time of 10 h in future - at various temperatures a picture of the material behaviour, which corresponds very well with the longterm behaviour. It even seems to be possible to predict the creep behaviour and obtain information about the load-bearing capacity, e.g. of weld seams, in the required dimensioning time of many thousands of hours.
Notes:
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 aufgezeigtDimensionierung 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.
Additional Material:
25 Ill.
Type of Medium:
Electronic Resource
URL:
http://dx.doi.org/10.1002/mawe.19820130502
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