Niedrige Dehnungsratenprüfung (SSRT)

Niedrige Dehnungsratenprüfung (SSRT) ist eine Methode zur Bestimmung von Spannungsschwellen und der Anfälligkeit für Spannungsrisskorrosion. Dabei wird eine konstante Dehnungsrate auf die Werkstoffe angewendet, insbesondere in Umgebungen wie der Nuklear- und Luftfahrtindustrie. Die SSRT ist detailliert in der Norm ASTM G129 „Standard practice for slow strain rate testing to assess the susceptibility of metallic materials to environmental induced cracking“ beschrieben. Es handelt sich um ein schnelles Werkstoffprüfungsverfahren, das die Anfälligkeit für Spannungsrisskorrosion oder Wasserstoffversprödung durch Anwendung einer sehr niedrigen Dehnungsrate (typischerweise bis zu 100 nm) auf eine Probe in einer spezifischen Umgebung bewertet. Dieses Verfahren vergleicht das Werkstoffverhalten in korrosiven Umgebungen durch die Induktion eines beschleunigten Versagens im Vergleich zu konventionellen Prüfverfahren.

Niedrige Dehnungsgeschwindigkeitsprüfungen bezeichnen mechanische Prüfungen, die mit bewusst langsamen Verformungsgeschwindigkeiten durchgeführt werden, weit unterhalb derer herkömmlicher Zugversuche (die typischerweise hohe Dehnungsgeschwindigkeiten verwenden). Diese Prüfungen sind in der Materialwissenschaft und Werkstofftechnik aus zwei Hauptgründen unerlässlich:

• Um zu beurteilen, wie sich Werkstoffe unter langsamen Belastungsbedingungen verhalten, die reale Einsatzbedingungen simulieren (z. B. kriechähnliches Verhalten oder längerfristige statische Belastungen).
• Zur Beurteilung der Anfälligkeit für umweltbedingte Rissbildungsereignisse wie Spannungsrisskorrosion und Wasserstoffversprödung.

Die bekannteste Form ist der Zugversuch mit langsamer Dehnungsrate (SSRT), auch bekannt als Zugversuch mit konstanter Dehnungsrate. Dabei wird eine glatte Zugprobe mit einer konstanten, niedrigen Dehnungsrate gedehnt, während sie einem bestimmten Medium (z. B. abrasivem Material, hoher Temperatur oder Gas) ausgesetzt ist. Typische Dehnungsraten liegen zwischen ^10⁻⁸ und ^10⁻³ s⁻¹ ^{, und gängige Werte für Untersuchungen zur Spannungsrisskorrosion liegen im Bereich von 10⁻⁵} bis ^10⁻⁷ s⁻¹ ^. Die niedrige Dehnungsrate ermöglicht es, dass Umwelteinflüsse (z. B. Korrosion, Wasserstoffdiffusion oder Passivierungsschichtabbau) die Rissbildung und -ausbreitung beeinflussen – Effekte, die bei schnelleren Versuchen möglicherweise nicht sichtbar sind.

Werkstoffe reagieren empfindlich auf die Dehnungsgeschwindigkeit: Ihre Festigkeit, Duktilität und Versagensarten können sich mit der Verformungsgeschwindigkeit erheblich verändern.

• Bei hohen Dehnungsraten (z. B. durch Stöße oder Kollisionen) werden viele Metalle und Polymere zwar fester, aber auch spröder.
• Bei niedrigen Dehnungsraten dominieren viskose oder zeitabhängige Effekte. Beispiele hierfür sind das Kriechen von Metallen bei hohen Temperaturen oder die verstärkte Umwelteinwirkung in abrasiven Umgebungen. So lässt sich beispielsweise Knete bei langsamem Ziehen enorm dehnen, reißt aber bei schnellem Ziehen.

Bei Zugversuchen an Baustahl mit niedrigen Dehnungsraten beobachteten Forscher Unterschiede in der Streckgrenze, der Zugfestigkeit und der gleichmäßigen Dehnung in Abhängigkeit von der gewählten Dehnungsrate im niedrigen Bereich. Selbst nicht standardisierte Probenformen können reproduzierbare Ergebnisse für diese Eigenschaften liefern.

Niedrige Dehnungsraten bei Polymeren und Verbundwerkstoffen helfen, Langzeit-Betriebsbedingungen zu simulieren (z. B. langsames Aufwärmen im Armaturenbrett eines Fahrzeugs), während für die Kollisionsmodellierung hohe Geschwindigkeiten erforderlich sind.

Prüfungen mit niedriger Dehnungsrate erfolgen im Allgemeinen in folgenden Schritten:

• Eine genormte Zugprobe (flach oder manchmal gekerbt) wird auf einer Prüfmaschine mit präziser, langsamer Traversensteuerung montiert.
• Die Probe wird dem jeweiligen Medium ausgesetzt (z. B. Salzwasser, Hochtemperaturwasser in Kernsimulationen, schwefelwasserstoffhaltiges Gas für Erdölfeldanwendungen oder Luft als Referenz).
• Es wird kontinuierlich mit einer konstanten, niedrigen Geschwindigkeit gedehnt, bis es reißt.
• Die Hauptkriterien sind folgende:
  • Ausfallzeit
  • Ausfallverlängerung
  • Flächenreduktion (Maß für die Duktilität)
  • Maximale Spannung
  • Nachuntersuchung mittels Fraktographie (Verwendung der Rasterelektronenmikroskopie (REM) zum Vergleich von duktilen Grübchen, spröden Spaltungen, interkristallinen oder intrakristallinen Rissen)

Die Prüfungen werden üblicherweise sowohl im aggressiven Medium als auch in einem inerten Referenzmedium (z. B. Luft oder Argon) zum Vergleich durchgeführt. Eine signifikante Verringerung der Duktilität im Medium deutet auf eine Anfälligkeit für Spannungsrisskorrosion oder Wasserstoffversprödung hin.

Der oszillierende Test mit langsamer Dehnungsrate ist eine Variante, bei der die schützenden Passivschichten wiederholt durch das Hinzufügen kleiner Lastzyklen um die Streckgrenze herum gestört werden. Dadurch eignet er sich besser zur Beurteilung der Langzeitbeständigkeit von Legierungen wie Edelstählen oder Nickellegierungen.

Die für die Prüfung der Zugfestigkeit geltenden Normen lauten wie folgt:

• ASTM G129: Allgemeines Verfahren für Prüfungen mit niedriger Dehnungsrate.
• ISO 7539-7: Spannungsrisskorrosionsprüfung mit langsamer Dehnungsrate.
• NACE TM0198: Für korrosionsbeständige Legierungen in sauren Umgebungen.

Die wichtigsten Anwendungsgebiete der Prüfmethode für langsame Dehnungsraten sind folgende:

• Spannungsrisskorrosion und Wasserstoffversprödung: Weit verbreitet in der Öl- und Gasindustrie (Pipelines in saurer Umgebung), der Kernenergie (Druckwasserreaktoren und in Siedewasserreaktoren bestrahlte Edelstähle), der Luft- und Raumfahrt sowie der chemischen Verfahrenstechnik. Das Verfahren sortiert Legierungen, bewertet Umgebungsbedingungen (pH-Wert, Temperatur, Potenzial) und untersucht die zugrunde liegenden Mechanismen.
• Auswirkungen der Bestrahlung: Versuche mit langsamer Dehnungsrate an bestrahlten Materialien zeigen eine Verfestigung, einen Verlust der Duktilität und eine Kanalisierung von Versetzungen, die zu Sprödigkeit führt.
• Allgemeine Zugeigenschaften: Versuche mit niedrigen Dehnungsraten an Stählen oder anderen Metallen, um das geschwindigkeitsabhängige Verhalten ohne Umwelteinflüsse zu verstehen.
• Scanning-Tool: Seine relative Geschwindigkeit (Stunden bis Tage) im Vergleich zu statischen Belastungstests, die Monate oder Jahre dauern können, macht es zu einer hervorragenden Methode für die Materialqualifizierung und mechanistische Untersuchungen.

^{Beispielsweise hat} die Prüfung langsamer Dehnungsraten in simuliertem Druckwasserreaktorwasser bei etwa 7,4 x 10⁻⁷ ^s⁻¹ in der Kernforschung gezeigt , dass die Bestrahlungshärtung bei etwa 10 dPa eine Sättigung erreicht, die Duktilität bei höheren Dosen abnimmt und gelegentlich Spaltungen oder interkristalline Risse auftreten.

Die Vorteile dieser Methode sind folgende:

• Beschleunigt, aber realistisch für dynamische Belastungstests unter abrasiven Bedingungen.
• Einfacher Aufbau, wiederholbar und vielseitig (flache/gekerbte Proben, verschiedene Medien).
• Es liefert klare quantitative Indikatoren (z. B. Duktilitätsverhältnisse) und fraktographische Belege.

Diese Methode hat jedoch einige Einschränkungen:

• Die Spannungsgeschwindigkeit muss sorgfältig gewählt werden: Eine zu langsame oder zu schnelle Geschwindigkeit kann die Präzision beeinträchtigen.
• Die Konsequenzen sind gravierend: Werkstoffe können bei Tests versagen, aber im Einsatz zufriedenstellend funktionieren (was eine Korrelation mit anderen Tests wie Felddaten oder Bruchmechanik erfordert).
• Die Interpretation kann komplex sein: Eine verminderte Duktilität kann durch Rissbildung, Rissausbreitung oder beides bedingt sein.
• Es ist nicht für alle Materialien ideal: Einige Kritiker weisen darauf hin, dass es die Risiken im Vergleich zur statischen Belastung übertreiben könnte.

Seit vielen Jahren versteht unser Unternehmen mit seinen kompetenten und erfahrenen Mitarbeitern die Bedürfnisse seiner Kunden, bietet ihnen die benötigten fortschrittlichen Prüfdienstleistungen und unterstützt sie beim Aufbau, der Implementierung und der Optimierung von Managementsystemen. In diesem Rahmen bieten wir Unternehmen auch SSRT-Prüfungen (Low Strain Rate Testing) an.