Untersuchung des Einflusses mikroskopischer Deformationsmechanismen auf das makroskopische Verhalten gummimodifizierter Thermoplaste
Final Report Abstract
Das bearbeitete Forschungsprojekt befasste sich mit der kontinuumsmechanisch-numerischen Modellierung und Analyse des inelastischen Deformationsverhaltens gummimodifizierter glasartiger Thermoplastwerkstoffe auf unterschiedlichen Längenskalen - mit besonderem Augenmerk auf ABS-Materialien. Ziel der Arbeiten war ein vertieftes Verstandnis der bislang vorwiegend experimentell untersuchten Mikrostruktur-Eigenschafts-Beziehungen dieser Werkstoffklasse. Neben der heterogenen Mikrostruktur kam der adäquaten Beschreibung der mikroskopischen Deformations- bzw. Schädigungsmechanismen, nämlich Scherfließen und Crazing, und deren Interaktion eine besondere Bedeutung zu. Dabei wurden für den in der kontinuumsmechanisch orientierten Literatur bislang weniger behandelten Crazing-Mechanismus insbesondere auch die Eignung unterschiedlicher Modellierungszugänge analysiert. Insgesamt wurden bei den Untersuchungen drei unterschiedliche Längenskalen betrachtet. Auf der untersten Skale wurden Einflüsse des molekularen Verschlaufungsnetzwerks auf den Prozess der Fibrillation des Polymerwerkstoffs innerhalb einer Craze-Zone analysiert. Auf der gröberen Meso-Skale der explizit aufgelösten zweiphasigen Mikrostruktur aus Gummipartikeln und glasartiger Matrix wurde das Auftreten von Scherfließen und Crazing in Abhängigkeit von makroskopischem Belastungszustand und Dehnrate untersucht. Unter Verwendung eines neu entwickelten, beide Deformationsmechanismen beinhaltenden Materialmodells konnte dabei der für ABS-Werkstoffe gängige experimentelle Befund eines Wechsels von Scherfließen zu Crazing für hähere Spannungsmehrachsigkeiten und Dehnraten bestatigt werden. Die Auswirkungen von Mikrostruktur und Deformationsmechanismen wurden in diesen Detailuntersuchungen durch numerische Homogenisierung unter Verwendung repräsentativer Volumenelemente bzw. Einheitszellen auf die jeweils äbergeordnete Längenskale transferiert. Ebenfalls neu entwickelt wurde ein Materialmodell für den Einsatz auf der makroskopischen (z.B. Bauteil-) Ebene, welches das aus räumlich verteiltem Crazing resultierende finite viskoplastische Deformationsverhalten gummimodifizierter Thermoplaste sowie in expliziter Form den Einfluss von Mikrostrukturparametern (z.B. Gummivolumenanteil) berücksichtigt. Dieses Modell gestattet es, das aus verschiedenen experimentellen Untersuchungen berichtete intermediäre Maximum der Bruchzähigkeit in Abhängigkeit vom Gummianteil zu erklären und zu reproduzieren. Das Materialmodell wurde ferner durch eigene experimentelle Untersuchungen an einem kommerziellen ABS-Werkstoff kalibriert (Zugversuche) und verifiziert (Bruchexperimente). Damit steht erstmals ein Materialmodell zur Verfügung, welches in der Lage ist, das inelastische auf massivem Crazing basierende Deformationsverhalten gummimodifizierter Thermoplaste unter komplexen Belastungszuständen bis hin zum Bruch realistisch abzubilden. Dennoch bleiben selbstverständlich eine Fälle von Fragen offen für weiterführende zukünftige Untersuchungen. Genannt seien hier beispielsweise eine verfeinerte Beschreibung der Gummipartikel (die in realen Materialien keineswegs immer kavitieren) und des Einflusses von deren Grösse oder auch räumlicher Verteilung (z.B. Agglomeration) auf das makroskopische mechanische Verhalten, sowie auch der - in den vorliegenden Untersuchungen völlig außer Acht gelassenen -Temperatur.
Publications
- (2006). Modeling the interaction of crazing and matrix plasticity in rubber-toughened polymers. Proceedings 13th International Conference on Deformation, Yield and Fracture of Polymers, 275-278
Seelig, Th., Van der Giessen, E.
- (2008). Computational modeling of deformation mechanisms and failure in thermoplastic multilayer composites. Composites Science and Technology 68, 1198-1208
Seelig, Th.
- (2009). A cell model study of crazing and matrix plasticity in rubber-toughened glassy polymers. Computational Materials Science 45, 725-728
Seelig, Th., Van der Giessen, E.
- (2011). Crack tip fields in rubber-toughened polymers. Proc. Appl. Math. Mech. 11, 149-150
Helbig, M., Seelig, Th.
- (2011). Multiscale Modeling of Deformation and Failure in ABS-Materials. 13. Tagung Deformation und Bruchverhalten von Kunststoffen, Merseburg, 29.6.-1.7.2011
Helbig, M., Seelig, Th.
- (2012). Damage in rubber-toughened polymers - modeling and experiments. 25. Int. Workshop on Research in Mechanics of Composits, Bad Herrenalb, 6.-7.12.1012
Helbig, M., Seelig, Th.
- (2012). Micro-mechanical modeling of fibrillation in amorphous polymers. Computational Materials Science 52, 118-122
Helbig, M., Seelig, Th.
- Continuum-micromechanical modeling of distributed crazing in rubber-toughened polymers. Eur. J. Mech./A Solids, Volume 57, May–June 2016, Pages 108-120
Helbig, M., Van der Giessen, E., Clausen, A.H., Seelig, Th.
(See online at https://doi.org/10.1016/j.euromechsol.2015.11.007)
