Improved method for the characterisation of mechanical fatigue of rubber materials applied on a study to the lifetime-influence of dwell periods

Abstract

Experimente bei denen Probekörper bis zum Ausfall mit einer oszillierenden Last beaufschlagt werden, sind ein etabliertes Vorgehen, um Erkenntnisse über das Ermüdungsverhalten von Elastomeren zu gewinnen. In der vorliegenden Arbeit werden Verbesserungen dieser Methode mit Fokus auf präzisere Lebensdauerergebnisse vorgeschlagen und in einer Studie zum Einfluss von Rastphasen im Lebensdauertest angewandt. Zum Einstieg wird der starke Temperatureinfluss auf die Ermüdung von Elastomeren gezeigt. Eine Kühlung durch erzwungene Konvektion im Zusammenspiel mit einer amplitudenabhängigen Frequenzanpassung stellt sich als effektive Methodik heraus, um eine konstante Materialtemperatur über eine ganze Messreihe hinweg zu gewährleisten. Daran anschließend, wird die häufig getroffene Annahme weggesteuertes Oszillieren gleich dehnungsgesteuertes Oszillieren auf den Prüfstand gestellt. Dafür wird die Dehnung bei maximaler Auslenkung innerhalb der oszillierenden Last optisch über die Dauer des Lebensdauerversuches aufgezeichnet. Als Ergebnis wird eine bemerkenswerte Zunahme der Dehnung über die Lastzyklen detektiert. Dieser Effekt stellt sich als geometrie-, lastund materialabhängig heraus. Lebensdauerergebnisse angewandt zur Betriebsfestigkeitsabschätzung werden meist in der Form konstante Belastung in Abhängigkeit der Ausfallzyklen (Stichwort: Wöhlerkonzept) verarbeitet. Daher wird ein Verfahren zur Umrechnung dieser über Lastzyklen inkonstanten Dehnungen zu Wöhler-konformen konstanten Vergleichsdehnungen vorgestellt. Weiterhin wird eine neue Probekörpergeometrie entworfen. Denn in der Literatur fällt auf, dass die überwiegende Mehrheit der Lebensdaueruntersuchungen mit Probekörpern durchgeführt werden, welche durch oberflächliche Risse ausfallen. Folglich wird der neue Probekörper derart geformt, dass dessen Lebensdauer durch Anrisse im Vollmaterial dominiert wird. Eine Vergleichsstudie zwischen Probekörpergeometrien beweist die deutliche Lebensdauerzunahme bei oberflächenunabhängiger Rissinitiierung. Die Unregelmäßigkeiten an der Oberfläche führen zu abgeänderten Lebensdauerdaten. Eine solche Unregelmäßigkeit ist z.B. der Grat geformt durch die Formtrennnaht. Bruchbilduntersuchungen ergeben eine Konzentrierung der Initiierungen auf diese vulkanisationsformabhängige Schwachstelle. Auch innerhalb dieser Kategorie von oberflächlichen Unregelmäßigkeiten zeigen sich deutliche Lebensdauerabweichungen - Grat ist nicht gleich Grat. Basierend auf den vorgestellten verbesserten Vorgehensweisen zur Ermüdungsmessung, wird der Einfluss von Rastphasen innerhalb von ansonsten kontinuierlich oszillierenden Lasten untersucht. Im Gegensatz zu Daten aus der Literatur, ermittelt durch Risswachstumsmessungen, ergibt sich keinerlei Einfluss dieser Rastphasen bei den Lebensdauertests der vorliegenden Arbeit. Einzig und allein für einen Styrol-Butadien-Kautschuk ohne Füllstoff stellt sich eine große Lebensdauerabnahme für Haltephasen unter Last ein. Dieser Effekt kann auf lastzeitabhängiges statisches Risswachstum zurückgeführt werden.

Experiments with oscillating loads until failure applied on simple test pieces are often used for the characterisation of the fatigue behaviour of rubber materials. In this work, the method of fatigue testing is further optimised with the objective of increased precision in lifetime results. These improvements are applied on a study of dwell periods and their influence on durability. At first, the strong dependency of the rubber lifetime on temperature is shown. Forced convection combined with an adaptation of frequency, with respect to the amplitude, is found to be an effective approach to obtain experimental data with similar material temperatures from different test piece geometries exposed to various loading conditions. Subsequently, the validity of the assumption displacement-controlled testing is equivalent to strain-controlled testing is examined. Therefore, fatigue tests on filled natural rubber and styrene butadiene rubber materials, using dumbbells die-cut from moulded sheet are performed. The strains in the narrow section at maximum deflection of the dumbells are measured with an optical method. A remarkable shift of this strain occurs over the length of oscillation, even though the displacement amplitude was constant. It turns out, that the effect of the strain shift over cycles dependents on the test piece (or engineering component) geometry, the amplitude as well as on the material. This geometry dependent evolution of the damaging propensity of the cyclic strain has influence on whatever lifetime prediction methodology is favoured. A method is introduced to transfer the continuously changing strains into a Wöhler curve-compliant constant equivalent strain. In addition, a new fatigue test piece is designed. While the majority of the fatigue-data in literature originate of test pieces with locus of failure initiation at the free surface, motivates the design of the new test piece with failure initiation locus in the bulk material. This new test piece shows a strong lifetime-prolonging effect if benchmarked with test pieces that suffer from crack initiation at the surface. Inside the group of test pieces with surface initiations, significant lifetime differences are measured, even though the failures initiated nominally at the same locus, specifically at the flash. In conclusion, based on all preceding suggestions for improvement, a presumably fatigueinfluencing factor is investigated; dwell periods in otherwise commonly continuous sinusoidal load-signals. In disagreement with crack growth measurements from literature, no significant impact of dwell periods on the fatigue of rubber material is found. This is verified for a broad range of dwell conditions. Due to static crack growth, solely for unfilled styrene butadiene rubber, a lifetime-reducing effect for loaded dwell periods is found.