Definition
Die Relaxation (englisch: Stress Relaxation) bezeichnet den zeitabhängigen Abbau von mechanischer Spannung in einem Werkstoff bei konstant gehaltener Verformung. Dieses viskoelastische Phänomen ist besonders ausgeprägt bei Kunststoffen, Elastomeren und anderen polymeren Werkstoffen.
Kernaussage: Relaxation ist das Gegenstück zum Kriechen - während beim Kriechen die Dehnung bei konstanter Spannung zunimmt, nimmt bei der Relaxation die Spannung bei konstanter Dehnung ab.
Normen und Standards
| Norm | Anwendungsbereich |
|---|---|
| DIN EN ISO 3384 | Elastomere - Bestimmung der Spannungsrelaxation unter Druck |
| DIN EN ISO 6914 | Elastomere - Alterung unter Spannung |
| DIN 53537 | Prüfung von Kautschuk und Elastomeren - Spannungsrelaxation |
| ASTM E328 | Spannungsrelaxation für Materialien und Strukturen |
Physikalische Grundlagen
Molekulare Mechanismen
- Kettenumlagerungen: Verschiebung und Neuorientierung von Polymerketten
- Entschlaufung: Lösen von physikalischen Verschlaufungen
- Viskoses Fließen: Gleiten von Molekülsegmenten aneinander
- Chemische Relaxation: Bindungsbruch und -neubildung bei hohen Temperaturen
Maxwell-Modell: σ(t) = σ₀ × e^(-t/τ)
Relaxationszeit: τ = η / E
Relaxationsmodul: E(t) = σ(t) / ε₀
Relaxationszeit: τ = η / E
Relaxationsmodul: E(t) = σ(t) / ε₀
Relaxationsverhalten nach Werkstofftyp
| Werkstofftyp | Relaxationsverhalten | Typische Relaxationszeit |
|---|---|---|
| Elastomere (vernetzt) | Begrenzte Relaxation | Minuten bis Stunden |
| Thermoplaste | Vollständige Relaxation möglich | Sekunden bis Tage |
| Duroplaste | Geringe Relaxation | Sehr lang |
Prüfverfahren
Druckrelaxation (ISO 3384)
- Probengeometrie: Zylindrische Proben (Ø 29 mm, h = 12,5 mm)
- Kompression: 25% der ursprünglichen Höhe
- Messung: Kraftabnahme über Zeit bei konstanter Stauchung
- Dauer: Typisch 24 h, 72 h, 168 h oder länger
Relaxationskoeffizient: R = (F₀ - Ft) / F₀ × 100%
Typische Relaxationswerte
| Elastomertyp | 24h bei 23°C [%] | 24h bei 70°C [%] |
|---|---|---|
| NR (Naturkautschuk) | 5-10 | 15-25 |
| NBR (Nitrilkautschuk) | 8-15 | 20-35 |
| EPDM | 5-12 | 12-20 |
| FKM (Fluorkautschuk) | 3-8 | 8-15 |
| Silikon (VMQ) | 10-20 | 15-30 |
Praktische Bedeutung
- Dichtungen: Langzeitdichtigkeit von O-Ringen und Flachdichtungen
- Schraubverbindungen: Vorspannkraftverlust bei Kunststoffschrauben
- Federn: Nachlassen der Federkraft über Zeit
- Medizintechnik: Langzeitstabilität von Implantaten
- Automobilindustrie: Alterung von Gummielementen