Verzeichnis der verwendeten Abkürzungen und Symbole

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1 Inhaltsverzeichnis V Inhaltsverzeichnis Seite V 1 Einleitung und Zielstellung 1 2 Charakterisierung des Zähigkeitsverhaltens von Polyethylen- Werkstoffen und Möglichkeiten zur Bewertung des Rissausbreitungsprozesses 2.1 Struktur und mechanische Eigenschaften von Polyethylen-Werkstoffen Deformationsmechanismen in teilkristallinen Kunststoffen Korrelation der Struktur und der Zähigkeitseigenschaften von Polyethylen-Werkstoffen Einfluss der Molmasse, des Verzweigungsgrades und der Tie-Molekül-Dichte Einfluss der Kristallinität, der Sphärolith- und der Lamellenstruktur Einfluss der Abkühlgeschwindigkeit Beurteilung des Einflusses der Strukturparameter auf die Zähigkeitseigenschaften Rissinitiierungs- und Rissausbreitungsverhalten von amorphen und teilkristallinen Kunststoffen Deformations- und Rissmodelle für Polyethylen-Werkstoffe 37 3 Experimentelles Grundcharakterisierung der untersuchten PE-HD-Werkstoffe und Prüfkörperherstellung Bestimmung der Kristallinität Charakterisierung der Morphologie Ermittlung von strukturellen Größen im Nanometerbereich Berechnung der Tie-Molekül-Dichte Experimentelle Methoden zur Bestimmung bruchmechanischer Werkstoffkennwerte Der instrumentierte Kerbschlagbiegeversuch Bestimmung bruchmechanischer Werkstoffkennwerte als Risszähigkeiten gegenüber instabiler Rissausbreitung Bestimmung bruchmechanischer Werkstoffkennwerte als Risszähigkeiten gegenüber stabiler Rissausbreitung Auswerteprozedur zur Bestimmung bruchmechanischer Werkstoffkennwerte als Risszähigkeiten gegenüber stabiler Rissausbreitung Verwendung von Seitenkerben zur Ermittlung bruchmechanischer Werkstoffkennwerte bei Polyethylen-Werkstoffen

2 VI Inhaltsverzeichnis Seite 4 Experimentelle Ergebnisse zum Zähigkeitsverhalten Schlagkraft-Durchbiegungsverhalten der Polyethylen-Werkstoffe Einfluss von Seitenkerben auf die Ermittlung bruchmechanischer Werkstoffkennwerte Einfluss der Verwendung von Seitenkerben bei instabiler Rissausbreitung Einfluss der Verwendung von Seitenkerben bei stabiler Rissausbreitung Die Abhängigkeit der bruchmechanischen Werkstoffkennwerte vom Molekulargewicht Die Abhängigkeit der bruchmechanischen Werkstoffkennwerte von der Kristallinität Die Abhängigkeit der bruchmechanischen Werkstoffkennwerte von den strukturellen Größen im Nanometerbereich Gültigkeit der ermittelten bruchmechanischen Werkstoffkennwerte Bruchflächenstrukturanalyse der PE-HD-Werkstoffe Bruchflächenstrukturen bei instabiler Rissausbreitung Bruchflächenstrukturen bei stabiler Rissausbreitung Diskussion der Ergebnisse Einfluss der Strukturparameter auf das Zähigkeitsverhalten von Polyethylen-Werkstoffen Geometrieunabhängigkeit der bruchmechanischen Werkstoffkennwerte Rissinitiierungs- und Rissausbreitungsmechanismen in den Polyethylen-Werkstoffen Zusammenfassung 133 Summary Anhang Literaturverzeichnis

3 VII Verzeichnis der verwendeten Abkürzungen und Formelzeichen Abkürzungen 3PB ABS ASTM C CF COD CT CTOD D DIN DSC DTA EDZ E-Modul EP ESIS ESZ FBM FEM GF H IKBV ISO J R -Kurve K L LCP LEBM M NMR norm. PA PBT PC PE PEEK PE-HD PE-HMW PEI PE-LD PE-LLD PE-MD PES PET Dreipunktbiegung Acrylnitril-Butadien-Styrol American Standards for Testing Materials Kohlenstoff Carbon Fibre (Kohlenstofffaser) Crack Opening Displacement (Rissöffnungsverschiebung) Compact Tension (bruchmechanischer Zugprüfkörper) Crack Tip Opening Displacement (Rissspitzenöffnungsverschiebung) PE-HD-Werkstoffe mit etwa gleicher Dichte und unterschiedlichem Molekulargewicht Deutsche Industrie-Normen Differential Scanning Calorimetry (Differentialkalorimetrie) Differential Thermal Analysis (Differential-Thermoanalyse) Ebener Dehnungszustand Elastizitätsmodul Ethylen-Propylen European Structural Integrity Society Ebener Spannungszustand Fließbruchmechanik Finite Element Method (Finite Elemente Methode) Glas Fibre (Glasfaser) Wasserstoff Instrumentierter Kerbschlagbiegeversuch International Standard Organization Risswiderstandskurve des Belastungsparameters J kalt abgeschreckt bei 55 K/min Abkühlgeschwindigkeit langsame Abkühlung bei 1 K/min Abkühlgeschwindigkeit Liquid Crystalline Polymers (flüssigkristalline Polymere) Linear-Elastische Bruchmechanik PE-HD-Werkstoffe mit gleichem Molekulargewicht und unterschiedlicher Kristallinität Nuclear Magnetic Resonance (magnetische Kernresonanz) normiert Polyamid Polybutylenterephthalat Polycarbonat Polyethylen Polyetheretherketon Polyethylen hoher Dichte Polyethylen hoher Molmasse Polyetherimid Polyethylen niederer Dichte lineares Polyethylen niederer Dichte Polyethylen mittlerer Dichte Polyethersulfon Polyethylenterephthalat

4 VIII PE-UHMW PE-ULD PE-VLD PE-X PK PMMA POM PP PPS PS PVC PVCC REM R-Kurve SAN SAPT SAXS SENB SENT SK TC TEM TPU Verzw. δ R -Kurve Polyethylen ultra-hoher Molmasse Polyethylen ultra-niederer Dichte Polyethylen sehr niederer Dichte vernetztes Polyethylen Prüfkörper Polymethylmethacrylat Polyoxymethylen Polypropylen Polyphenylensulfid Polystyren Polyvinylchlorid chloriertes Polyvinylchlorid Rasterelektronenmikroskop Risswiderstandskurve, grafische Darstellung der Abhängigkeit des Belastungsparameters (J-Integral oder δ) von der stabilen Rissverlängerung a Styrol-Acrylnitril Stress Activated Phase Transition (spannungsinduzierte Phasenumwandlung) Small Angle X-Ray Scattering Single Edge Notched Bending (Dreipunktbiegeprüfkörper) Single Edge Notched Tension (einseitig gekerbter Zugprüfkörper) Seitenkerben Technical Committee Transmissionselektronenmikroskop Thermoplastisches Polyurethan Verzweigungen Risswiderstandkurve des Belastungsparameters δ Formelzeichen a [mm] Ausgangsrisslänge a cn [kj/m²] Charpy-Kerbschlagzähigkeit nach DIN EN ISO a in [kj/m²] Izod-Kerbschlagzähigkeit nach DIN EN ISO 180 a eff [mm] effektive Risslänge a S [mm] Bruchspiegel A [Nmm] Verformungsenergie A diss [Nmm] Summe des plastischen Anteils der Verformungsenergie A pl und der Rissverzögerungsenergie A R A el [Nmm] elastischer Anteil der Verformungsenergie A G [Nmm] Verformungsenergie, ergibt sich aus der Fläche unter dem Kraft- Durchbiegungs-Diagramm bis zum Bruch des Prüfkörpers A H [Nmm] vom Pendelhammer für den Bruchvorgang angebotene Schlagenergie A pl [Nmm] plastischer Anteil der Verformungsenergie A R [Nmm] Rissverzögerungsenergie A tot [Nmm] totale Verformungsenergie, ergibt sich aus der gesamten Fläche unter dem Kraft-Durchbiegungs-Diagramm inklusive der Rissverzögerungsenergie b Konstante bei der Bestimmung der Wahrscheinlichkeit zur Bildung von Tie-Molekülen B [mm] Prüfkörperdicke

5 IX B n [mm] reduzierte Prüfkörperdicke durch Einbringen von Seitenkerben B U [mm] U-Kerb-Breite C charakteristische Konstante bei der Bestimmung des Kettenendenabstandes r C Regressionskonstanten der Potenzfunktion zur Beschreibung der J R - Kurven nach ESIS P2-91 C Regressionskonstanten der Wurzelfunktion zur Beschreibung der J R - Kurven in Anlehnung an das JT J -Konzept von Michel und Will C Regressionskonstanten der Potenzfunktion zur Beschreibung der δ R - Kurven nach ESIS P2-91 C Regressionskonstanten der Wurzelfunktion zur Beschreibung der δ R - Kurven in Anlehnung an das JT J -Konzept von Michel und Will CTOD bulk [µm] Rissspitzenöffnungsverschiebung durch Materialfließen CTOD craze [µm] Rissspitzenöffnungsverschiebung durch einen Craze CTOD total [µm] gesamte Rissspitzenöffnungsverschiebung d Konstante bei der Bestimmung der Wahrscheinlichkeit zur Bildung von Tie-Molekülen d n * Funktion des Verfestigungsverhaltens D.I. Duktilitäts-Index D.R. Duktilitäts-Verhältnis E d [N/mm²] Elastizitätsmodul bei schlagartiger Beanspruchung E n [kj/m²] Kerbschlagzugzähigkeit nach DIN EN ISO 8256 E t [N/mm²] Elastizitätsmodul nach ISO f [mm] Durchbiegung f(a/w) Geometriefunktion in Abhängigkeit vom Risslängen-Prüfkörperbreiten-Verhältnis f B [mm] Biegeanteil der maximalen Prüfkörperdurchbiegung f gy [mm] die bei der Kraft F gy auftretende Durchbiegung f k [mm] Kerbanteil der maximalen Prüfkörperdurchbiegung f max [mm] maximale Durchbiegung f T Tie-Molekül-Dichte F [N] Schlagkraft F 1 [N] Aufschlagimpuls im Schlagkraft-Durchbiegungs-Diagramm F am [cps ] Interferenzspektrum der amorphen Phase F F [N] Bruchkraft nach dem Kraftmaximum F max, bei der ein erheblicher Kraftabfall, verursacht durch instabiles Risswachstum, ohne Zunahme der Durchbiegung auftritt F gy [N] Schlagkraft beim Übergang vom elastischen zum elastisch-plastischen Werkstoffverhalten F kr [cps ] Interferenzpeakfläche der kristallinen Phase F max [N] maximale Schlagkraft g o [%] relative obere Grenze des Konfidenzintervalls g u [%] relative untere Grenze des Konfidenzintervalls g(x) ganze Zahl von x G [N/mm] Energiefreisetzungsrate I [cps] Beugungsintensität I(r,L P ) Konstante bei der Bestimmung von T 1 (M) J [N/mm] J-Integral, mathematische Beschreibung des lokalen Spannungs- Dehnungs-Feldes vor der Rissspitze, der bruchmechanische Werkstoffkennwert J wird mit Hilfe von Näherungslösungen berechnet

6 X J 0,2 [N/mm] technischer Rissinitiierungswert, kritischer J-Wert bei 0,2 mm Rissverlängerung J c [N/mm] kritischer J-Integral-Wert bei quasistatischer Beanspruchung J d [N/mm] J-Integral-Wert nach Sumpter und Turner mit Risslängenkorrektur bei der Bestimmung der J R -Kurve, d - dynamisch, schlagartige Beanspruchung J ic [N/mm] kritischer J-Integral-Wert am Schnittpunkt der J R -Kurve mit der Blunting-line J id [N/mm] kritischer J-Rissinitiierungswert bei schlagartiger Beanspruchung J iphys [N/mm] physikalischer J-Rissinitiierungswert, bestimmt mit Hilfe der Stretchzonenweite J Ic [N/mm] kritischer J-Integral-Wert am Schnittpunkt der J R -Kurve mit der um 0,2 mm verschobenen Blunting-line, quasistatische Beanspruchung J Id [N/mm] J-Integral-Wert, kritischer Wert beim Einsetzen instabiler Rissausbreitung, I geometrieunabhängig bei Mode I Beanspruchung, d dynamisch, schlagartige Beanspruchung J max [N/mm] Gültigkeitsgrenze für J-kontrolliertes Risswachstum nach ESIS TC 4 ST J Qd [N/mm] J-Integral-Wert nach Sumpter und Turner, kritischer Wert beim Einsetzen instabiler Rissausbreitung, Q - geometrieabhängig, d - dynamisch, schlagartige Beanspruchung JT J [N/mm] Produkt J T J nach Michel und Will, charakterisiert das Energieaufnahmevermögen bei stabiler Rissausbreitung K [MPamm 1/2 ] Spannungsintensitätsfaktor, beschreibt das Spannungsfeld vor der Rissspitze K Id [MPamm 1/2 ] Bruchzähigkeit, kritischer Wert beim Einsetzen instabiler Rissausbreitung, I - geometrieunabhängig bei Mode I Beanspruchung, d dynamisch, schlagartige Beanspruchung K max [MPamm 1/2 ] Bruchzähigkeit bei quasistatischer Beanspruchung K Qd [MPamm 1/2 ] Spannungsintensitätsfaktor, kritischer Wert beim Einsetzen instabiler Rissausbreitung, Q - geometrieabhängig, d dynamisch, schlagartige Beanspruchung K SC [MPamm 1/2 ] kritischer Schwellwert der Bruchzähigkeit für Risswachstum in da/dt- Kurven l [nm] Bindungslänge l H [m] Pendellänge des Hammers L [mm] Prüfkörperlänge L a [nm] Dicke der amorphen Bereiche aus L Pexp bestimmt L atheo [nm] Dicke der amorphen Bereiche aus L ctheo bestimmt L atem [nm] Dicke der amorphen Bereiche aus L ctem bestimmt L c [nm] Lamellendicke aus L Pexp bestimmt L ctem [nm] Lamellendicke, die mittels Bildverarbeitung aus den TEM-Aufnahmen bestimmt wurde L ctheo [nm] der aus der T E SO -Schmelztemperatur berechnete Wert für die Lamellendicke nach Illers und Hendus L P [nm] Langperiode L Pexp [nm] experimentell mit Kleinwinkelstreuungsmessungen bestimmte Langperiode L Ptheo [nm] Langperiode aus L ctheo bestimmt L PTEM [nm] Langperiode aus L ctem bestimmt L T [nm] Mindestlänge zur Bildung eines Tie-Moleküls

7 XI L R [mm] Rasierklingenkerblänge L U [mm] U-Kerb-Länge m Proportionalitätsfaktor in der Beziehung zwischen J-Integral- und CTOD-Konzept, Constraint-Faktor m H [kg] Hammermasse M [kg/mol] Molmasse M c [kg/mol] kritische Molekülmasse MFR [g/10 min] Schmelzfließrate nach DIN M n [kg/mol] Zahlenmittel der mittleren Molmasse M w [kg/mol] Gewichtsmittel der mittleren Molmasse n Rotationsfaktor N Anzahl der Verschlaufungen pro Kette p(r) Wahrscheinlichkeit für das Auftreten eines Kettenendenabstandes r in einer frei gegliederten Kette in der Schmelze P Wahrscheinlichkeit zur Bildung von Tie-Molekülen P 1 Wahrscheinlichkeit zum Auftreten von Tie-Molekülen nach Huang P 2 Wahrscheinlichkeit zum Auftreten von Tie-Molekülen nach Hedenqvist r [nm] Kettenendenabstand eines Polymerknäuels r ² [nm²] mittlerer quadratischer Kettenendenabstand eines Polymerknäuels r K [µm] Kerbradius R gr [nm] Schwerpunktsabstand eines Polymerknäuels in der Schmelze s [mm] Stützweite bzw. Auflagerabstand S S o S u SCB SZH [µm] Stretchzonenhöhe SZW [µm] Stretchzonenweite t [ms] Zeit t B [ms] Bruchzeit t f [min] Versagenszeit T [ C] Temperatur T 1 T 1 (M) T 2 T 2 (M) T 2 (M,Strebel) T(M 2 ) T δ empirische Standardabweichung bei Stichprobendaten obere Standardabweichung des Konfidenzintervalls untere Standardabweichung des Konfidenzintervalls (Short Chain Branching) Anzahl der Kurzkettenverzweigungen pro 1000 C-Atome Anzahl der Tie-Moleküle, die pro Kette gebildet werden können Tie-Molekül-Dichte in einem monodispersen Polymer mit der Molekülmasse M nach Yeh und Runt Anzahl der Tie-Moleküle, die als Verschlaufungen pro Kette gebildet werden können Tie-Molekül-Dichte der als Verschlaufungen auftretenden Tie- Moleküle eines monodispersen Polymers mit der Molekülmasse M nach Yeh und Runt Tie-Molekül-Dichte der als Verschlaufungen auftretenden Tie-Moleküle eines monodispersen Polymers mit der Molekülmasse M nach Strebel Tie-Molekül-Dichte der als Verschlaufungen auftretenden Tie- Moleküle eines monodispersen Polymers mit der Molekülmasse M nach Strebel (vereinfachte Berechnung) Tearing-Modul (Widerstand gegenüber stabiler Rissausbreitung) für den Belastungsparameter kritische Rissöffnungsverschiebung, Funktion von a

8 XII 0,2 T Funktionswert der Funktion T δ = f( a) bei 0,2 mm Rissverlängerung T(M) gesamte Tie-Molekül-Dichte eines monodispersen Polymers mit der Molekülmasse M T G [ C] Glastemperatur T J Tearing-Modul (Widerstand gegenüber stabiler Rissausbreitung) für den Belastungsparameter J-Integral, Funktion von a 0,2 TJ Funktionswert der Funktion T J = f( a) bei 0,2 mm Rissverlängerung T m [ C] Schmelztemperatur (eines Kristalls mit endlicher Dicke) T m [K] Gleichgewichtsschmelztemperatur E T SO [K] Schmelztemperatur mittels DSC bestimmt (extrapolierte Peakanfangstemperatur nach DIN 53765) v Ab [K/min] Abkühlgeschwindigkeit v T [mm/min] Traversengeschwindigkeit V M [cm³/mol] hydrodynamisches Volumen einer Polymerkette mit der Molekülmasse M V Mc [cm³/mol] hydrodynamisches Volumen einer Polymerkette mit der kritischen Molekülmasse M c W [mm] Prüfkörperbreite x Anzahl der Kettenglieder einer Polymerkette α 1 [%] Kristallisationsgrad, berechnet aus der Dichte α 2 [%] Kristallisationsgrad, berechnet aus der gemessenen Schmelzenthalpie α 3 [%] Kristallisationsgrad, bestimmt mit Hilfe von Röntgenweitwinkelstreuungsmessungen β Proportionalitätsfaktor im Geometriekriterium des LEBM-Konzeptes, β = f (K Id ) β Regressionskoeffizienten δ [mm] Rissöffnungsverschiebung, beschreibt das lokale Verformungsfeld vor der Rissspitze und wird im Dreipunktbiegeversuch mit Hilfe des Türangelmodells berechnet δ 0,2 [mm] technischer Rissinitiierungswert für den Belastungsparameter, kritische Rissöffnungsverschiebung bei a=0,2 mm δ 45 [mm] speziell definierte Rissspitzenverformung, bildet 45 -Winkel mit der Mitte der Rissspitze δ c [mm] kritische Rissöffnungsverschiebung an der Rissspitze bei quasistatischer Beanspruchung δ d [mm] Rissöffnungsverschiebung, berechnet aus f max bei schlagartiger Beanspruchung δ dk [mm] Rissöffnungsverschiebung nach erweitertem Türangelmodell, berechnet aus f k bei schlagartiger Beanspruchung δ id [mm] kritischer δ-rissinitiierungswert bei schlagartiger Beanspruchung δ Id [mm] Rissöffnungsverschiebung, kritischer Wert beim Einsetzen instabiler Rissausbreitung, I - geometrieunabhängig bei Mode I Beanspruchung, d dynamisch, schlagartige Beanspruchung δ Idk [mm] Rissöffnungsverschiebung nach erweitertem Türangelmodell, kritischer Wert beim Einsetzen instabiler Rissausbreitung, I - geometrieunabhängig bei Mode I Beanspruchung, d dynamisch, schlagartige Beanspruchung δ iphys [mm] physikalischer δ-rissinitiierungswert, bestimmt mit Hilfe der Stretchzonenweite

9 XIII δ max [mm] Gültigkeitsgrenze für δ-kontrolliertes Risswachstum δ Qd [mm] kritische Rissöffnungsverschiebung, berechnet aus der maximalen Durchbiegung, kritischer Wert beim Einsetzen instabiler Rissausbreitung, Q - geometrieabhängig, d dynamisch, schlagartige Beanspruchung δ Qdk [mm] kritische Rissöffnungsverschiebung nach erweitertem Türangelmodell, aus dem Kerbanteil der Durchbiegung bestimmt, kritischer Wert beim Einsetzen instabiler Rissausbreitung, Q - geometrieabhängig, d dynamisch, schlagartige Beanspruchung δt δ [mm] Produkt δ T δ, charakterisiert das Verformungsaufnahmevermögen bei stabiler Rissausbreitung a [mm] stabile Rissverlängerung a bl [mm] Rissverlängerung bei der Rissabstumpfung a max [mm] Gültigkeitsgrenze für maximalen a-wert nach ESIS TC 4 a min [mm] Gültigkeitsgrenze für minimalen a-wert nach ESIS TC 4 a S [mm] stabile Rissverlängerung nach instabilem Risswachstum, auch Bruchspiegel a S H S [J/g] gemessene Schmelzenthalpie H K [J/g] Schmelzenthalpie des 100% kristallinen Stoffes H K [cal/g] Schmelzenthalpie des unendlich ausgedehnten Kristalls T [K] Unterkühlung ε ε R [%] Reißdehnung ε y [%] Fließdehnung ϑ [ ] Beugungswinkel Proportionalitätsfaktor im Geometriekriterium des J-Integral- Konzeptes, ε = f (J Id ) η el,η pl Geometriefunktionen ν Querkontraktionszahl k [kg/m³] gemessene Dichte k a [kg/m³] ideale Dichte der amorphen Phase k k [kg/m³] Dichte der kristallinen Phase am Schmelzpunkt σ [N/mm²] Spannung σ B [N/mm²] Bruchspannung σ d [N/mm²] Streckgrenze bei schlagartiger Beanspruchung σ e [erg/cm²] spezifische Grenzflächenenergie der longitudinalen Grenzschicht σ y [N/mm²] Streckgrenze nach ISO σ V4R [MPa] Vergleichsspannung am Rasierklingenkerb σ V4U [MPa] Vergleichsspannung am U-Kerb τ ω ξ Periode der charakteristischen Trägheitsschwingung Konstante zur Überprüfung der Gültigkeit der R-Kurve Proportionalitätsfaktor im Geometriekriterium des COD-Konzeptes, ξ = f (δ Idk )