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 |