A3 Ermüdung in Polymeren (Hystereseerwärmung)

Thema

Die viskose Komponente dieses Polymers, quantifiziert durch den Verlustfaktor (detaillierter beschrieben in einem anderen Modell dieses Systems), dissipiert in jedem Lastzyklus eine charakteristische Energiemenge. Unter zyklischer Belastung verformt sich das Polymer nicht entlang der exakt gleichen Spannungs-Dehnungs-Kurve in beide Richtungen und erholt sich anschließend wieder. Stattdessen beschreibt es zwischen Belastung und Entlastung jedes Zyklus eine Hystereseschleife. Die Fläche innerhalb dieser Hystereseschleife repräsentiert die in diesem Zyklus dissipierte Energie. Der höhere Verlustfaktor des Polymers führt dazu, dass bei gleicher zyklischer Lastamplitude auch die pro Zyklus dissipierte Energie größer ist.

Da diese pro Zyklus dissipierte Energie mit der Frequenz der zyklischen Belastung wiederholt auftritt, entsteht im Polymer eine Wärmeerzeugungsrate: Jeder zusätzliche Lastzyklus führt zur gleichen dissipierten Energiemenge wie der vorherige Zyklus. Diese wiederholte dissipierte Energie, akkumuliert pro Zeiteinheit, bildet die Wärmeerzeugungsrate. Eine höhere Frequenz zyklischer Belastung führt bei gleicher pro Zyklus dissipierter Energie zu einer höheren Wärmeerzeugungsrate, da die gleiche pro Zyklus dissipierte Energie häufiger pro Zeiteinheit auftritt.

Dieses Modell mit seiner viskosen Komponente und der anfänglichen Wärmeerzeugungsrate bewirkt daher, dass die lokale Temperatur des Polymers ansteigt, wenn die Wärmeerzeugung die Wärmeabgabekapazität des Polymers an die Umgebung übersteigt. Dies kann zu lokaler Erweichung führen, die ein Versagen zur Folge haben kann, bevor sich ein Riss signifikant ausbreitet. Diese Hystereseermüdung steht somit im Gegensatz zur Ermüdung eines Metalls in einem anderen Modell für eine andere Materialgruppe. Dort ist das fortschreitende Wachstum eines einzelnen Ermüdungsrisses und nicht diese Hystereseerwärmung der dominierende Mechanismus, der zum endgültigen Versagen führt. Die Tatsache, dass dieses Polymer bei jedem Lastzyklus eine wesentlich größere Menge an Hystereseenergie dissipiert als das Metall bei der gleichen Anzahl von Lastzyklen, bedeutet, dass dieser Hystereseerwärmungsmechanismus, der beim Metall vernachlässigbar ist, bei diesem Polymer zum dominanten Ermüdungsmechanismus wird.

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