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E-Book

Kunststoffprüfung

AutorSabine Seidler, Wolfgang Grellmann
VerlagCarl Hanser Fachbuchverlag
Erscheinungsjahr2015
Seitenanzahl760 Seiten
ISBN9783446443907
FormatPDF
KopierschutzWasserzeichen/DRM
GerätePC/MAC/eReader/Tablet
Preis99,99 EUR
Die enormen Zuwachsraten in der Kunststofferzeugung und -anwendung erhöhen die Forderung nach aussagekräftigen Mess- und Auswerteverfahren in der Kunststoffprüfung. Durch die Fortschritte in der elektronischen Messtechnik haben sich sowohl die klassischen Prüfverfahren weiterentwickelt als auch völlig neuartige Methoden etabliert. Die Aussagekraft dieser Kenngrößen zur Quantifizierung der Zusammenhänge zwischen der Mikrostruktur und den makroskopischen Eigenschaften wird dargestellt. Zusätzliche Informationen über die ablaufenden Schädigungsprozesse und -mechanismen können durch die Anwendung gekoppelter zerstörungsfreier Kunststoffprüfverfahren bzw. hybrider Methoden der Kunststoffdiagnostik gewonnen werden. An Hand von Beispielen zur Optimierung von Kunststoffen und Verbunden sowie zur Bewertung von Bauteileigenschaften wird ein werkstoffwissenschaftlich begründeter Einblick in die moderne Kunststoffprüfung vermittelt.

Prof. Wolfgang Grellmann leitet seit 1995 die Professur 'Werkstoffdiagnostik/Werkstoffprüfung' am Zentrum für Ingenieurwissenschaften der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg.

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Leseprobe
- Einführung in die Prüfung von Kunststoffen und Verbunden
- Prüfkörperherstellung und -vorbereitung
- Bestimmung verarbeitungsrelevanter Eigenschaften
- Mechanische Eigenschaften von Kunststoffen
- Zähigkeitsbewertung mit bruchmechanischen Methoden
- Prüfung physikalischer Eigenschaften
- Bewertung der Spannungsrissbeständigkeit
- Zerstörungsfreie Kunststoffprüfung
- Hybride Verfahren der Kunststoffdiagnostik
- Prüfung von Verbundwerkstoffen
- Technologische Prüfverfahren
- Mikroprüftechnik
Blick ins Buch
Inhaltsverzeichnis
Vorwort zur 3. Auflage6
Vorwort zur 2. Auflage7
Vorwort zur 1. Auflage9
Die Herausgeber12
Wolfgang Grellmann12
Sabine Seidler12
Mitautoren13
Verzeichnis der verwendeten Formelzeichen (Auswahl)26
Abkürzungsverzeichnis38
Kurzzeichen für Kunststoffe42
1?Einleitung46
1.1?Zur Herausbildung der Kunststoffprüfung als Wissenschaftsdisziplin46
1.2?Einflussgrößen auf die Kennwertermittlung50
1.3?Einteilung der Methoden der Kunststoffprüfung51
1.4?Normen und Regelwerke in der Kunststoffprüfung53
1.5?Zusammenstellung der Normen56
1.6?Literaturhinweise für die einzelnen Fachgebiete57
2?Prüfkörperherstellung62
2.1?Einführung62
2.2?Prüfung an Formmassen64
2.3?Herstellung von Prüfkörpern65
2.3.1?Allgemeine Anmerkungen65
2.3.2?Prüfkörperherstellung durch direkte Formgebung67
2.3.2.1?Herstellung von Prüfkörpern aus thermoplastischen Formmassen67
2.3.2.2?Herstellung von Prüfkörpern aus duroplastischen Formmassen74
2.3.2.3?Herstellung von Prüfkörpern aus elastomeren Werkstoffen75
2.3.3?Prüfkörperherstellung durch indirekte Formgebung77
2.3.4?Charakterisierung des Prüfkörperzustandes79
2.4?Prüfkörpervorbereitung und Konditionierung82
2.5?Zusammenstellung der Normen85
2.6?Literatur86
3?Bestimmung verarbeitungsrelevanter Eigenschaften88
3.1?Formmassen88
3.2?Bestimmung von Schüttguteigenschaften89
3.2.1?Schüttdichte, Stopfdichte, Füllfaktor89
3.2.2?Rieselfähigkeit, Schüttwinkel, Rutschwinkel91
3.3?Bestimmung von Fluideigenschaften92
3.3.1?Rheologische Grundlagen92
3.3.1.1?Viskosität Newton’scher und nicht-Newton’scher Fluide92
3.3.1.2?Temperatur- und Druckabhängigkeit der Viskosität96
3.3.1.3?Molmasseneinfluss auf die Viskosität96
3.3.1.4?Volumeneigenschaften96
3.3.2?Messung rheologischer Eigenschaften97
3.3.2.1?Rheometrie/Viskosimetrie97
3.3.2.2?Rotationsrheometer98
3.3.2.3?Kapillarrheometer105
3.3.2.4?Dehnrheometer116
3.3.3?Auswahl von Messmethoden zur rheologischen Charakterisierung von Polymerwerkstoffen119
3.4?Zusammenstellung der Normen120
3.5?Literatur121
4?Mechanische Eigenschaften von Kunststoffen124
4.1?Grundlagen mechanischen Verhaltens124
4.1.1?Mechanische Beanspruchungsgrößen124
4.1.1.1?Spannung124
4.1.1.2?Deformation127
4.1.2?Werkstoffverhalten und Stoffgesetze128
4.1.2.1?Elastisches Verhalten128
4.1.2.2?Viskoses Verhalten132
4.1.2.3?Viskoelastisches Verhalten133
4.1.2.4?Plastisches Verhalten139
4.2?Mechanische Spektroskopie141
4.2.1?Experimentelle Bestimmung zeitabhängiger mechanischer Eigenschaften142
4.2.1.1?Statische Prüfverfahren142
4.2.1.2?Dynamisch-Mechanische Analyse (DMA)143
4.2.2?Zeit- und Temperaturabhängigkeit der viskoelastischen Eigenschaften151
4.2.3?Strukturelle Einflussgrößen auf die viskoelastischen Eigenschaften154
4.3?Quasistatische Prüfverfahren156
4.3.1?Deformationsverhalten von Kunststoffen156
4.3.2?Zugversuch an Kunststoffen162
4.3.2.1?Theoretische Grundlagen des Zugversuches162
4.3.2.2?Der konventionelle Zugversuch166
4.3.2.3?Erweiterte Aussagemöglichkeiten des Zugversuches175
4.3.3?Weiterreißversuch182
4.3.4?Druckversuch an Kunststoffen184
4.3.4.1?Theoretische Grundlagen des Druckversuchs184
4.3.4.2?Durchführung und Auswertung des Druckversuches187
4.3.5?Biegeversuch an Kunststoffen192
4.3.5.1?Theoretische Grundlagen des Biegeversuches192
4.3.5.2?Der genormte Biegeversuch198
4.4?Schlagartige Beanspruchung203
4.4.1?Einführung203
4.4.2?Schlagbiegeversuch und Kerbschlagbiegeversuch204
4.4.3?Schlagzugversuch und Kerbschlagzugversuch210
4.4.4?Fallbolzenversuch und Durchstoßversuch212
4.5?Ermüdungsverhalten216
4.5.1?Allgemeine Grundlagen216
4.5.2?Experimentelle Ermittlung des Ermüdungsverhaltens218
4.5.3?Planung und Auswertung von Ermüdungsversuchen223
4.5.4?Einflussgrößen auf das Ermüdungsverhalten und die Lebensdauervorhersage von Kunststoffen224
4.6?Statisches Langzeitverhalten227
4.6.1?Allgemeine Grundlagen227
4.6.2?Zeitstandzugversuch228
4.6.3?Zeitstandbiegeversuch235
4.6.4?Zeitstanddruckversuch237
4.7?Härteprüfverfahren238
4.7.1?Grundlagen der Härteprüfung238
4.7.2?Konventionelle Härteprüfverfahren240
4.7.2.1?Prüfverfahren zur Ermittlung von Härtewerten nach Entlastung240
4.7.2.2?Prüfverfahren zur Ermittlung von Härtewerten unter Last243
4.7.2.3?Sonderverfahren246
4.7.2.4?Vergleichbarkeit von Härtewerten247
4.7.3?Instrumentierte Härteprüfung248
4.7.3.1?Grundlagen der Messmethodik248
4.7.3.2?Werkstoffkenngrößen der instrumentierten Härteprüfung250
4.7.3.3?Anwendungsbeispiele253
4.7.4?Korrelationen der Mikrohärte mit Streckgrenze und Zähigkeit256
4.8?Reibung und Verschleiß259
4.8.1?Einleitung259
4.8.2?Grundlagen von Reibung und Verschleiß261
4.8.2.1?Reibungskräfte261
4.8.2.2?Temperaturerhöhung als Folge der Reibung262
4.8.2.3?Verschleiß als Systemeigenschaft263
4.8.2.4?Verschleißmechanismen und Transferfilmbildung263
4.8.3?Verschleißprüfung und Verschleißkenngrößen264
4.8.3.1?Ausgewählte Modell-Verschleißprüfungen265
4.8.3.2?Verschleißkenngrößen und deren Ermittlung267
4.8.3.3?Verschleißkenngrößen und deren Darstellung268
4.8.4?Ausgewählte experimentelle Ergebnisse269
4.8.4.1?Einfluss des Gegenpartners269
4.8.4.2?Einfluss von Füllstoffen270
4.8.4.3?Einfluss der Belastungsparameter272
4.8.4.4?Eigenschaftsvorhersage mittels neuronaler Netze274
4.8.5?Abschließende Bewertung276
4.9?Zusammenstellung der Normen276
4.10?Literatur284
5?Zähigkeitsbewertung mit bruchmechanischen Methoden292
5.1?Einführung292
5.2?Stand und Entwicklungstendenzen293
5.3?Grundaussagen bruchmechanischer Konzepte295
5.3.1?Linear-elastische Bruchmechanik (LEBM)295
5.3.2?Crack Tip Opening Displacement-(CTOD-)Konzept299
5.3.3?J-Integral-Konzept303
5.3.4?Risswiderstands-(R-)Kurven-Konzept305
5.4?Experimentelle Bestimmung bruchmechanischer Kennwerte307
5.4.1?Quasistatische Beanspruchung307
5.4.2?Instrumentierter Kerbschlagbiegeversuch311
5.4.2.1?Prüfanordnung311
5.4.2.2?Einhaltung experimenteller Bedingungen312
5.4.2.3?Typen von Schlagkraft-Durchbiegungs-Diagrammen – Optimierung der Diagrammform314
5.4.2.4?Spezielle Näherungsverfahren zur Bestimmung von J-Werten316
5.4.2.5?Anforderungen an die Prüfkörpergeometrie319
5.4.3?Instrumentierter Fallversuch321
5.5?Anwendungen in der Werkstoffentwicklung323
5.5.1?Bruchmechanische Zähigkeitsbewertung von modifizierten Kunststoffen323
5.5.1.1?Teilchengefüllte Kunststoffe323
5.5.1.2?Faserverstärkte Kunststoffe327
5.5.1.3?Blends und Copolymere332
5.5.2?Anwendung des instrumentierten Schlagzugversuchs zur Erzeugnisbewertung338
5.5.3?Berücksichtigung des Bruchverhaltens bei der Werkstoffauswahl und Dimensionierung342
5.6?Zusammenstellung der Normen344
5.7?Literatur346
6?Prüfung physikalischer Eigenschaften350
6.1?Thermische Eigenschaften350
6.1.1?Einleitung350
6.1.2?Wärmeleitfähigkeitsbestimmung352
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 Eigenschaften368
6.2.1?Einführung368
6.2.2?Reflexion und Brechung369
6.2.2.1?Gerichtete und diffuse Reflexion369
6.2.2.2?Brechzahlbestimmung369
6.2.3?Dispersion374
6.2.4?Polarisation375
6.2.4.1?Optische Aktivität375
6.2.4.2?Polarisationsoptische Bauelemente375
6.2.4.3?Polarisationsoptische Untersuchungsverfahren377
6.2.5?Transmission, Absorption und Reflexion384
6.2.6?Glanz, Innere Remission und Trübung385
6.2.7?Farbe389
6.2.8?Transparenz und Durchsichtigkeit393
6.2.9?Infrarotspektroskopie396
6.2.10?Lasertechnik399
6.2.11?Prüfung auf die Konstanz optischer Werte400
6.3?Elektrische und dielektrische Eigenschaften402
6.3.1?Einleitung402
6.3.2?Physikalische Grundlagen405
6.3.3?Elektrische Leitfähigkeit und Widerstand408
6.3.3.1?Durchgangswiderstand409
6.3.3.2?Oberflächenwiderstand411
6.3.3.3?Isolationswiderstand413
6.3.3.4?Messverfahren413
6.3.3.5?Kontaktierung und Prüfkörpervorbereitung416
6.3.4?Dielektrische Eigenschaften und dielektrische Spektroskopie417
6.3.4.1?Relaxationsprozesse418
6.3.4.2?Wechselstromleitfähigkeit426
6.3.4.3?Breitbandige dielektrische Messtechnik428
6.3.5?Spezielle technische Prüfverfahren435
6.3.5.1?Elektrostatische Aufladung435
6.3.5.2?Elektrische Festigkeit437
6.3.5.3?Kriechstromfestigkeit und Lichtbogenfestigkeit442
6.4?Zusammenstellung der Normen444
6.5?Literatur450
7?Bewertung der Spannungsriss­beständigkeit456
7.1?Allgemeine Bemerkungen zum Versagen von Kunststoffen in aggressiven Medien456
7.2?Prüfung der Spannungsrissbeständigkeit460
7.2.1?Prüfmethoden zur Bestimmung der umgebungsbedingten Spannungsrissbildung460
7.2.2?Beispiele zur Bewertung der Spannungsrissbeständigkeit mit standardisierten Prüfverfahren464
7.2.3?Bruchmechanische Prüfmethoden468
7.3?Modellbetrachtungen zum Versagen von Kunststoffen in Medien durch Spannungsrisse472
7.4?Einflussgrößen auf das Spannungsrissverhalten476
7.4.1?Vernetzung476
7.4.2?Molmasse und Molmassenverteilung477
7.4.3?Verzweigungen479
7.4.4?Kristalline Bereiche480
7.4.5?Molekülorientierung481
7.4.6?Physikalisch-chemische Wechselwirkungsvorgänge484
7.4.7?Viskosität des Umgebungsmediums490
7.4.8?Einfluss der Prüfkörperdicke495
7.4.9?Einfluss der Temperatur497
7.5?Zusammenstellung der Normen und Richtlinien500
7.6?Literatur502
8?Zerstörungsfreie Kunststoffprüfung506
8.1?Einleitung506
8.2?Zerstörungsfreie Prüfung mit elektromagnetischen Wellen508
8.2.1?Röntgenstrahlung508
8.2.1.1?Projektionsverfahren mittels Absorption509
8.2.1.2?Compton-Rückstreuung511
8.2.1.3?Röntgen-Refraktometrie512
8.2.2?Spektralbereich des sichtbaren Lichts515
8.2.2.1?Dickenmessung an transparenten Bauteilen515
8.2.2.2?Spannungsoptik an transparenten Bauteilen515
8.2.2.3?Konfokale Laser-Scanning-Mikroskopie516
8.2.2.4?Streifenprojektion zur Konturerfassung518
8.2.2.5?Interferometrische Verfahren519
8.2.3?Thermographie524
8.2.4?Mikrowellen525
8.2.5?Dielektrische Spektroskopie529
8.2.6?Wirbelstrom530
8.3?Zerstörungsfreie Prüfung mit elastischen Wellen532
8.3.1?Elastische Wellen bei linearem Werkstoffverhalten533
8.3.1.1?Ultraschall533
8.3.1.2?Mechanische Vibrometrie543
8.3.2?Elastische Wellen bei nichtlinearem Werkstoffverhalten547
8.3.2.1?Grundlegendes zu elastischen Wellen im nichtlinearen Werkstoff547
8.3.2.2?Nichtlinearer Luftultraschall548
8.3.2.3?Nichtlineare Vibrometrie551
8.4?Zerstörungsfreie Prüfung mit dynamischem Wärmetransport554
8.4.1?Externe Anregung554
8.4.1.1?Wärmeflussthermographie mit nichtperiodischem Wärmetransport554
8.4.1.2?Thermographie mit periodischem Wärmetransport556
8.4.2?Interne Anregung560
8.4.2.1?Thermographie mit Anregung durch elastische Wellen560
8.4.2.2?Thermographie mit anderen internen Anregungsarten565
8.5?Ausblick565
8.6?Literatur567
9?Hybride Verfahren der Kunststoffdiagnostik574
9.1?Zielstellung574
9.2?Zugversuch, Schallemissionsprüfung und Videothermographie576
9.3?Zugversuch und Laserextensometrie579
9.4?Bruchmechanik und Zerstörungsfreie Prüfung584
9.5?Literatur588
10?Prüfung von Verbundwerkstoffen592
10.1?Einführung592
10.2?Theoretischer Hintergrund594
10.2.1?Anisotropie594
10.2.2?Elastische Eigenschaften von Laminaten595
10.2.3?Einfluss von Feuchtigkeit und Temperatur596
10.2.4?Laminattheorie und Hauptsatz nach St. Venant596
10.2.5?Anwendung Bruchmechanischer Konzepte für FVW597
10.3?Prüfkörperherstellung600
10.3.1?Laminatherstellung600
10.3.2?Prüfkörpervorbereitung für unidirektionale Beanspruchung602
10.4?Bestimmung des Faservolumengehalts603
10.5?Mechanische Prüfmethoden605
10.5.1?Zugversuche605
10.5.2?Druckversuche608
10.5.3?Biegeversuche612
10.5.4?Interlaminare Scherfestigkeit615
10.5.5?Schubversuche616
10.5.5.1?" 45° Off-Axis Zugversuch616
10.5.5.2?10° Off-Axis Zugversuch618
10.5.5.3?Two- und Three-Rail Scherversuche619
10.5.5.4?Iosipescu Schubversuch620
10.5.5.5?Plate-Twist Schubversuch621
10.5.5.6?Torsion dünnwandiger Rohre622
10.6?Bruchmechanische Prüfmethoden624
10.6.1?Experimentelle Prüfung von FVW624
10.6.2?Spezielle Prüfkörperformen625
10.6.2.1?Prüfkörper für Mode I-Beanspruchung625
10.6.2.2?Prüfkörper für Mode II-Beanspruchung626
10.6.2.3?Mixed Mode-Prüfkörper629
10.6.3?Bruchmechanische Kennwerte von FVW632
10.7?Spezifische Prüfmethoden633
10.7.1?Edge-Delamination Test (EDT)633
10.7.2?Boeing Open-Hole Compression Prüfung634
10.8?Schälfestigkeit biegeweicher Laminate635
10.9?Schlagbeanspruchung und Schadenstoleranz637
10.10?Zusammenstellung der Normen und Richtlinien641
10.11?Literatur644
11?Technologische Prüfverfahren646
11.1?Wärmeformbeständigkeit646
11.1.1?Grundlagen und Definitionen646
11.1.2?Bestimmung der Wärmeformbeständigkeitstemperatur HDT und der Vicat-Erweichungstemperatur647
11.1.3?Anwendungsbeispiele zur Aussagefähigkeit der Vicat- und HDT-Prüfung650
11.2?Brandverhalten654
11.2.1?Einleitung654
11.2.2?Stufen eines Brandes und Brandparameter657
11.2.3?Brandprüfungen659
11.2.3.1?Neigung zu Schwelbrand660
11.2.3.2?Entzündbarkeit661
11.2.3.3?Flammenausbreitung666
11.2.3.4?Wärmefreisetzung669
11.2.3.5?Feuerwiderstand671
11.2.3.6?Löschbarkeit672
11.2.3.7?Rauchentwicklung672
11.2.4?Die Anwendung des Cone-Kalorimeters zur Charakterisierung des Brandverhaltens674
11.3?Bauteilprüfung679
11.3.1?Einführung679
11.3.2?Basisprüfmethoden680
11.3.2.1?Allgemeines680
11.3.2.2?Prüfung äußerer Merkmale682
11.3.2.3?Prüfung von Werkstoffeigenschaften683
11.3.2.4?Prüfung der Gebrauchstauglichkeit685
11.3.3?Prüfung von Kunststoffrohren686
11.3.3.1?Qualitätssicherung bei Kunststoffrohren686
11.3.3.2?Prüfung des Zeitstandinnendrucks von Kunststoffrohren688
11.3.4?Prüfung von Kunststoffbauteilen für Anwendungen im Automobilbau691
11.3.4.1?Anforderungen an die Prüfung691
11.3.4.2?Mechanische Prüfungen691
11.3.4.3?Permeations- und Emissionsprüfungen693
11.3.5?Prüfung von Kunststoffbauteilen für Anwendungen im Bauwesen696
11.3.5.1?Einleitung696
11.3.5.2?Prüfung von Sandwichelementen697
11.3.5.3?Prüfung von Kunststoffmantelrohren700
11.4?Implantatprüfung705
11.4.1?Einführung705
11.4.2?Push-out Test an Implantaten707
11.4.3?Prüfung des Einsatzverhaltens von pharyngo-trachealen Stimmprothesen710
11.4.4?Ermittlung der mechanischen Eigenschaften von humanem Knorpel713
11.5?Zusammenstellung der Normen716
11.6?Literatur720
12?Mikroprüftechnik724
12.1?Einführung724
12.2?Kennwertermittlung an Mikroprüfkörpern728
12.2.1?Mikrozugprüfung728
12.2.2?Bruchmechanische Untersuchungen mit Hilfe von miniaturisierten Compact Tension (CT)-Prüfkörpern732
12.3?Nano-Eindringprüfung735
12.4?Prüfmethoden auf dem Weg in die Nanowelt737
12.4.1?Berührungslose Verschiebungsfeldbestimmung durch digitale Bildkorrelation (Grauwertkorrelationsanalyse)737
12.4.2?In-situ-Deformationsmessungen im Atomkraftmikroskop (AFM)739
12.5?Literatur744
Sachwortverzeichnis746

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