Kriechen in Kunststoffen verstehen: Ursachen, Typen und praktische Auswirkungen

Was ist Kriechen in Kunststoffmaterialien?

Kriechen – auch Kaltfließen genannt – ist die allmähliche Verformung eines Polymers unter konstanter Last. Im Gegensatz zu Metallen zeigen Kunststoffe zeitabhängiges viskoelastisches Verhalten, was bedeutet, dass sie sich weiter verformen, selbst wenn die angewendete Spannung unter ihrer Fließfestigkeit liegt. Dieses Phänomen ist kritisch für die Langzeitperformance in Ingenieuranwendungen.

Viskosität und Viskoelastizität

Viskosität misst den Widerstand eines Fluids gegen langsame Verformung. In Polymeren kombiniert Viskoelastizität viskoses Fließen mit elastischer Erholung, sodass sich das Material unter anhaltender Spannung verformt und nach Lastentfernung teilweise erholt. Das Gleichgewicht zwischen diesen beiden Reaktionen bestimmt, wie ein Kunststoff über die Zeit kriecht.

Verformung unter Spannung

Verformung – oft Dehnung genannt – ist jede Formänderung durch externe Kräfte oder Temperaturschwankungen. Zug-, Druck-, Scher-, Biege- und Torsionslasten tragen alle zum Kriechen bei. Anfänglich ist die Verformung elastisch und reversibel; einmal die Fließgrenze überschritten, akkumuliert permanenter, nicht-reversibler Strain.

Kriechtypen

• Nabarro-Herring-Kriechen – Ein diffusionskontrollierter Mechanismus, hochsensitiv für Temperatur und Korngröße.
• Coble-Kriechen – Ebenfalls diffusionskontrolliert, aber weniger temperaturabhängig, betrifft feinkörnige Materialien.
• Harper-Dorn-Kriechen – Durch Versetzungsbewegung getrieben, beobachtet in Aluminium, Blei, Zinn, Keramik, Eis und einigen Loten.

Kriechstadien

• Primäres Kriechen – Hohe anfängliche Dehnrate, die abnimmt, während das Material sich verfestigt.
• Sekundäres Kriechen – Stationärer Dehnrate, wo sich das Material annähernd konstant verformt.
• Tertiäres Kriechen – Beschleunigende Dehnrate, die zum endgültigen Bruch führt.

Faktoren, die die Kriechrate beeinflussen

Die Rate, mit der ein Polymer kriecht, hängt von seinen intrinsischen Eigenschaften, Belichtungszeit, Temperatur und der Größe der angewendeten Last ab. Unter extremen Bedingungen kann Kriechen eine Komponente für ihren vorgesehenen Einsatz ungeeignet machen.

Praxisbeispiel: Turbinenschaufeln

In Hochtemperatur-Gasturbinen können polymerverstärkte Verbundwerkstoffe so weit kriechen, dass Schaufeln das Gehäuse berühren, was Leistung und Sicherheit gefährdet. Umgekehrt kann kontrolliertes Kriechen in Beton Zugspannungen entlasten und Rissbildung verhindern, was seine doppelte Rolle in der Ingenieurtechnik demonstriert.

Die Wahl des richtigen Kunststoffs für Ihre Anwendung ist essenziell. Bei Craftech können unsere Experten Sie bei der Materialauswahl basierend auf Kriechbeständigkeit, thermischer Stabilität und mechanischen Anforderungen beraten. Kontaktieren Sie uns per Telefon, Fax oder E-Mail.

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