Ermüdung und Risswachstum von Elastomerwerkstoffen unter praxisrelevanter Beanspruchung

Abstract

Das Ermüdungsrisswachstum von Elastomerwerkstoffen wird unter Beanspruchungen mit Relevanz für ein reales Bauteil (Handlauf von Fahrtreppen) untersucht. Um Lebensdauerabschätzungen ausgehend von Laborprüfungen zu ermöglichen, ist es notwendig, die Belastungsbedingungen vom Bauteil auf Laborprüfkörper zu übertragen. Dafür ist deren genaue Kenntnis essentiell, weshalb die am Handlaufprüfstand auftretenden Dehnungen mittels 2D-Bildkorrelation bestimmt werden. Die Lastbedingungen von Handläufen umfassen Zug-Druck-Wechselbelastungen, auf denen infolgedessen der Fokus dieser Arbeit liegt. Unter Zug-Druck-Belastungen treten oftmals Abweichungen in der Rissform bzw. im Risspfad auf. Während der Messung werden sowohl automatisiert auswertbare Schattenbilder als auch vollbeleuchtete Bilder vom Riss aufgenommen, wobei letztere die Detektion von Abweichungen erlauben. Zusätzlich ermöglichen ein Schwenkarm und eine weitere Kamera an der Rückseite des Probekörpers Aufnahmen von seiner rückwärtigen Oberfläche, mit denen die Dehnungsverteilung durch 2D-Bildkorrelation bestimmt werden kann. Effekte, wie Kantenverschiebung, erhöhtes Anfangsrisswachstum und Lippenbildung, werden in der Mess- und Auswertemethodik berücksichtigt. So kann die Reproduzierbarkeit verbessert und ein glatterer Verlauf der Risswachstumskurven erreicht werden. Auf der Pure Shear-Geometrie basierende Prüfkörper werden unter Zug-Druck-Belastung hinsichtlich ihrer Vor- und Nachteile untersucht. Eine taillierte Form führt zu einer Dehnungserhöhung, die auf den Riss wirkt, sich aber nicht in der Tearing Energy widerspiegelt. Damit ist die einfache Anwendung der aus globalen Parametern (Kraft-Auslenkung) bestimmten Tearing Energy für eine taillierte Pure Shear-Geometrie nicht mehr gegeben. Für die in dieser Arbeit verwendete Auswertemethodik und für Zug-Druck-Belastungen ist eine ebene Pure Shear-Geometrie mit 4 mm Dicke zu bevorzugen, da diese im Druckbereich aufgrund ihrer großen Dicke nur wenig ausknickt. Im Vergleich mit anderen Lastverhältnissen, insbesondere mit reiner Zug-Belastung, zeigt sich, dass Zug-Druck-Wechselbelastung eine starke Erhöhung des Risswachstums nach sich zieht. Auch der Einfluss anderer Lastparameter (Frequenz, Wellenform) unter Zug-Druck-Belastung wird untersucht, wobei die Eigenerwärmung mittels Thermografiemessung berücksichtigt wird. Abgesehen von Bereichen sehr starker Eigenerwärmung wird eine Unabhängigkeit von der Frequenz (1 Hz, 3 Hz und 5 Hz) beobachtet. Durch Variation der Wellenform wird die Bedeutung von Halteperioden innerhalb eines Schwingungszyklus gezeigt. Bei der Untersuchung des Einflusses von Werkstoffparametern, wie Polymermatrix, Rußfüllgrad und Rußart, auf das Risswachstum unter Zug-Druck-Beanspruchung erweist sich der Füllstoff Ruß als besonders relevant. Basierend auf den Erkenntnissen der Bauteilmessungen wird eine Wellenform für erste Vergleichsmessungen Bauteil/Labor entwickelt und die Lebensdauer ausgehend von den im Labor bestimmten Risswachstumskurven abgeschätzt. Dabei zeigt sich eine gute Korrelation zwischen Abschätzung und Handlaufmessung.

Fatigue crack growth in rubber is investigated under loading conditions which correspond to a real part (handrail of escalator). In order to estimate its fatigue life, it is necessary that loading conditions in laboratory tests match the ones of test stands for handrails. Thus, occurring deformations on handrails are evaluated by 2D image correlation. Those include tension-compression loads why this work further focuses on this kind of deformation mode. Deviations in the crack shape or crack path arise more frequently under tension-compression loading conditions. Therefore, two kinds of images are obtained during measurement: shadow images in which the shadow crack length is automatically evaluated and fully illuminated images in which deviations can be detected and considered in the evaluation. A swivel arm and an additional camera at the back side of the sample allow taking pictures from the back side of the sample as well. These can be used to evaluate the strain distribution of the sample under deformation. Certain effects are considered within the measurement procedure and evaluation, like edge shift, enhanced initial crack growth and formation of ligaments. Hence, the reproducibility is improved and a smoother trend of fatigue crack growth curves is achieved. Under tension-compression loads, different pure shear sample geometries are compared and advantages and disadvantages are identified. A waisted geometry results in a nonuniform strain distribution due to enhanced strain. The enhanced strain affects the crack but is not reflected in the tearing energy. Consequently, if the tearing energy is simply determined from global parameters (force-displacement), it should not be used for a waisted pure shear geometry. For tension-compression loads and the evaluation of tearing energy used in this work, a flat pure shear geometry with 4 mm thickness is preferred. Furthermore, this geometry shows less buckling during compression. Compared to other loading conditions, especially pure tensional loads, tension-compression loads result in enhanced fatigue crack growth. The influence of other loading parameters (frequency, waveform) is determined under tension-compression loading conditions and the resulting heat build-up is measured by thermal imaging. Fatigue crack growth curves are independent of frequency (1 Hz, 3 Hz, 5 Hz), except for conditions which result in very large heat build-up. The waveform is varied by including dwell periods within a cycle. The influence of different material dependent parameters is investigated under tension-compression loading conditions (polymer matrix, carbon black loading, type of carbon black). Here, carbon black as filler proved to be most relevant. A waveform corresponding to the loading conditions of test stands for handrails is developed and applied in comparative fatigue crack growth measurements. Based on those, fatigue life is estimated and a good correlation between real part (handrail) and laboratory is achieved.