VDI 3822 Blatt 2 1 8-2012 Failure analysis - Defects of thermoplastic products made of plastics caused by weather-induced stress.pdf

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1、ICS 03.100.40, 83.080.20 VDI-RICHTLINIEN Januar 2012 January 2012 VEREIN DEUTSCHER INGENIEURE Schadensanalyse Schden an thermoplastischen Kunststoffprodukten durch Witterungsbeanspruchung Failure analysis Defects of thermoplastic products made of plastics caused by weather-induced stress VDI 3822 Bl

2、att 2.1.8 / Part 2.1.8 Ausg. deutsch/englisch Issue German/English Die deutsche Version dieser Richtlinie ist verbindlich. The German version of this guideline shall be taken as authori-tative. No guarantee can be given with respect to the English translation. VDI-Gesellschaft Materials Engineering

3、(GME) Fachbereich Werkstofftechnik VDI-Handbuch Werkstofftechnik VDI-Handbuch Fabrikplanung und -betrieb, Band 1: Betriebsberwachung/Instandhaltung VDI-Handbuch Kunststofftechnik VDI-Handbuch Produktentwicklung und Konstruktion VDI-Handbuch Verfahrenstechnik und Chemieingenieurwesen, Band 3: Verfgba

4、rkeit/Schadensanalyse Vervielfltigungauchfrinnerbetriebliche Zwecke nicht gestattet /Reproductionevenforinternalusenot permittedFrhere Ausgabe:07.10 Entwurf,deutschFormeredition:07/10Draft,in German onlyZu beziehen durch /Available atBeuth Verlag GmbH,10772 BerlinAlle Rechte vorbehalten /Allrightsre

5、served Verein DeutscherIngenieuree.V.,Dsseldorf2012Inhalt Seite Contents Page Vorbemerkung . 2 Einleitung . 2 1 Anwendungsbereich . 4 2 Normative Verweise 4 3 Besonderheiten bei der Witterungsbeanspruchung 4 4 Phnomene und Ursachen . 9 5 Nachweis der potenziellen Ursachen 10 6 Nachweis der Heterogen

6、itt und Richtungsabhngigkeit 18 6.1 Fotooxidation . 18 6.2 Verlust an UV-Stabilisierung . 18 6.3 Wasseraufnahme 18 6.4 Hydrolyse . 18 6.5 Oxidationsdunkelreaktion 18 7 Nachweis durch knstlichen Bewitterungsversuch . 18 8 Beispiele fr klimatisch induzierte Schden an Kunststoffprodukten . 19 8.1 Beisp

7、iel fr Farbnderung (Vergilbung) . 19 8.2 Beispiel fr Rissbildung . 20 8.3 Beispiel fr Wasseraufnahme 20 8.4 Beispiel fr Kreidung . 21 8.5 Beispiel fr Ausbleichung 21 Schrifttum 22 Preliminary note . 2 Introduction 2 1 Scope . 4 2 Normative references 4 3 Special characteristics of weather induced st

8、ress . 4 4 Phenomena and causes . 9 5 Identification of potential causes . 11 6 Identification of the heterogeneity and dependency on direction 18 6.1 Photooxidation . 18 6.2 Loss of UV stabilisation . 18 6.3 Water absorption 18 6.4 Hydrolysis 18 6.5 Oxidation dark reaction 18 7 Identification throu

9、gh artificial weathering trials 18 8 Examples of climatically induced defects in plastic products . 19 8.1 Example of colour change (yellowing) . 19 8.2 Example of cracking . 20 8.3 Example of water absorption 20 8.4 Example of chalking . 21 8.5 Example of fading 21 Bibliography . 22 B55EB1B3E14C221

10、09E918E8EA43EDB30F09DCCB7EF8AD9NormCD - Stand 2012-04 2 VDI 3822 Blatt 2.1.8 / Part 2.1.8 Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2012 Vorbemerkung Der Inhalt dieser Richtlinie ist entstanden unter Beachtung der Vorgaben und Empfehlungen der Richtlinie VDI 1000. Alle Rech

11、te, insbesondere die des Nachdrucks, der Fotokopie, der elektronischen Verwendung und der bersetzung, jeweils auszugsweise oder vollstn-dig, sind vorbehalten. Die Nutzung dieser VDI-Richtlinie ist unter Wah-rung des Urheberrechts und unter Beachtung der Lizenzbedingungen (www.vdi-richtlinien.de), di

12、e in den VDI-Merkblttern geregelt sind, mglich. Allen, die ehrenamtlich an der Erarbeitung dieser VDI-Richtlinie mitgewirkt haben, sei gedankt. Preliminary note The content of this guideline has been developed in strict accordance with the requirements and rec-ommendations of the guideline VDI 1000.

13、 All rights are reserved, including those of reprint-ing, reproduction (photocopying, micro copying), storage in data processing systems and translation, either of the full text or of extracts. The use of this guideline without infringement of copyright is permitted subject to the licensing con-diti

14、ons specified in the VDI Notices (www.vdi-richtlinien.de). We wish to express our gratitude to all honorary contributors to this guideline. Einleitung Durch Schadensanalysen sollen die Ursachen fr schadhafte Vernderungen bei Werkstoffen und Produkten bis hin zum Versagen aufgedeckt wer-den. Die sich

15、 hieraus ergebenden Erkenntnisse bil-den die Grundlage gezielter Manahmen zur Scha-densabhilfe und -verhtung. Eine der Hauptaufga-ben der Schadensanalyse ist die Auswahl geeigneter Untersuchungsverfahren und die wissenschaftlich fundierte, zusammenfassende Auswertung der Ein-zelergebnisse. Demnach i

16、st es Zweck der Richtlinie: Begriffe zu definieren Schadensarten einheitlich zu benennen und zu beschreiben zur Systematischen Vorgehensweise bei der Schadensanalyse anleiten Vergleichbarkeit der Ergebnisse verschiedener Untersuchungsstellen zu gewhrleisten Voraussetzungen zur nachvollziehbaren Doku

17、-mentation zu schaffen Einteilung Richtlinienreihe VDI 3822 Blatt 2.1 Gem dem Bild, dass Schden an thermoplasti-schen Kunststoffprodukten durch Fehler in der Kon-struktion (inklusive der Umsetzung von Anforde-rungen), im Werkstoff, in der Verarbeitung und whrend der Nutzung entstehen knnen, wurde di

18、e Richtlinienreihe folgendermaen strukturiert: Die werkstoffbergreifende Richtlinie VDI 3822 behandelt Grundlegendes zur Vorgehensweise. Drei Richtlinien beschreiben mgliche Ursa-chen, die bereits vor der Nutzung auftreten knnen (Blatt 2.1.1 bis Blatt 2.1.3). Sechs Richtlinien beziehen sich auf mgli

19、che Ursachen whrend der Nutzung (Blatt 2.1.4 bis Blatt 2.1.9). Introduction The purpose of failure analysis is to discover the causes of defective changes in materials and prod-ucts that ultimately lead to failure. The findings thereby obtained provide a basis for targeted measures to remedy and pre

20、vent failure. One of the main tasks of failure analysis is the selection of appropriate investigation methods and the scien-tifically sound, comprehensive evaluation of the individual findings. Correspondingly, the objective of this guideline is to: provide definitions of terms to designate and desc

21、ribe types of failure in a uniform manner provide direction for systematically performing failure analyses ensure the comparability of the results obtained by different analytical laboratories establish requirements for comprehensible documentation Structure of the series of guidelines VDI 3822 Part

22、 2.1 According to the pattern that defects in thermo-plastic products can result from defects in the de-sign (including the implementation of require-ments), materials, manufacturing process and as a result of wear, this series of guidelines is structured as follows: The guideline VDI 3822, which ap

23、plies to a number of different materials, deals with fun-damental questions of procedure. Three guidelines describe possible causes that can occur before use (Part 2.1.1 to Part 2.1.3). Six guidelines are related to possible causes during use (Part 2.1.4 to Part 2.1.9). B55EB1B3E14C22109E918E8EA43ED

24、B30F09DCCB7EF8AD9NormCD - Stand 2012-04All rights reserved Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2012 VDI 3822 Blatt 2.1.8 / Part 2.1.8 3 Eine Richtlinie erlutert die bedeutenden in-strumentellen Analysemethoden in der Scha-densanalyse (Blatt 2.1.10). Blatt 2.1.1 Schden an thermoplastischen Ku

25、nststoffprodukten durch fehler-hafte Konstruktion Blatt 2.1.2 Schden an thermoplastischen Kunststoffprodukten durch fehler-hafte Verarbeitung Blatt 2.1.3 Schden an thermoplastischen Kunststoffprodukten durch fehler-hafte Werkstoffauswahl und Fehler im Werkstoff Blatt 2.1.4 Schden an thermoplastische

26、n Kunststoffprodukten durch mecha-nische Beanspruchung Blatt 2.1.5 Schden an thermoplastischen Kunststoffprodukten durch thermi-sche Beanspruchung Blatt 2.1.6 Schden an thermoplastischen Kunststoffprodukten durch tribolo-gische Beanspruchung Blatt 2.1.7 Schden an thermoplastischen Kunststoffprodukte

27、n durch media-le Beanspruchung Blatt 2.1.8 Schden an thermoplastischen Kunststoffprodukten durch Witte-rungsbeanspruchung Blatt 2.1.9 Schden an thermoplastischen Kunststoffprodukten durch mikro-bielle Beanspruchung Blatt 2.1.10 Bedeutende Analysemethoden fr die Schadensanalyse an thermo-plastischen

28、Kunststoffprodukten Eine Liste der aktuell verfgbaren Bltter dieser Richtlinienreihe ist im Internet abrufbar unter www.vdi.de/3822. Die Richtlinien VDI 3822 Blatt 2.1.1 bis Blatt 2.1.10 gelten jeweils nur in Verbindung mit der Richtlinie VDI 3822. Bei der Ermittlung mglicher Schadensursachen ist zu

29、 bercksichtigen, dass sehr hnliche Schadens-bilder durch unterschiedliche Ursachen bzw. Bean-spruchungsarten entstehen knnen. Insofern kann nicht davon ausgegangen werden, dass eine Scha-densursache eindeutig identifiziert ist, sobald in einem der Beibltter ein Schadensphnomen mit dem vorliegenden S

30、chadensbild bereinstimmt. Es liegt aufgrund der fehlenden Ein-Eindeutigkeit in der Verantwortung des Anwenders dieser Richtli-nie, stets alle Beibltter zu bercksichtigen, sofern nicht das Schadensumfeld Ausschlsse zulsst. One guideline explains significant instrumental analysis methods in failure an

31、alysis (Part 2.1.10). Part 2.1.1 Defects of thermoplastic products made of plastics caused by faulty design Part 2.1.2 Defects of thermoplastic products made of plastics caused by faulty processing Part 2.1.3 Defects of thermoplastic products made of plastics caused by an un-favourable choice of mat

32、erial and by defects in the material Part 2.1.4 Defects of thermoplastic products made of plastics caused by me-chanical stress Part 2.1.5 Defects of thermoplastic products made of plastics caused by thermal stress Part 2.1.6 Defects of thermoplastic products made of plastics caused by tribo-logy-in

33、duced stress Part 2.1.7 Defects in thermoplastic products made of plastics caused by chemi-cal stress Part 2.1.8 Defects of thermoplastic products made of plastics caused by weather-induced stress Part 2.1.9 Defects of thermoplastic products made of plastics caused by micro-bial stress Part 2.1.10 S

34、ignificant instrumental analysis methods for failure analysis of pro-ducts made of plastics A list of the currently available parts of this guide-line can be accessed via the Internet under www.vdi.de/3822. The guidelines VDI 3822 Part 2.1.1 to Part 2.1.10 are valid only in conjunction with the guid

35、eline VDI 3822. In determining possible causes of failure, it should be kept in mind that very similar failure modes can result from different causes and/or types of stress. Hence, it cannot be assumed that the cause of fail-ure has been clearly identified, simply because the failure mode that prese

36、nts itself corresponds to one of failure phenomena described in one of the parts of this guideline. This is no clear indication; the user of this guideline is always responsible for taking all of the parts into consideration, unless the failure environment justifies exclusions. B55EB1B3E14C22109E918

37、E8EA43EDB30F09DCCB7EF8AD9NormCD - Stand 2012-04 4 VDI 3822 Blatt 2.1.8 / Part 2.1.8 Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2012 1 Anwendungsbereich In dieser Richtlinie sollen diejenigen Wirkungen (Alterungseffekte) von Witterungsbeanspruchun-gen1Die Wirkung von Beanspru

38、chungskollektiven soll hier nicht behandelt werden, wenn sie gegenber den Witterungseinflssen selbst nur sekundr sind (z. B. die gleichzeitige Einwirkung von Schadga-sen oder gleichzeitige mechanische Belastung). Whrend der rein thermisch induzierte Abbau in der Richtlinie VDI 3822 Blatt 2.1.5 behan

39、delt wird, hat die Temperatur bei allen chemischen Reaktionen einen Einfluss ber die Temperaturab-hngigkeit der Reaktionsgeschwindigkeitskonstan-te. Dies beinhaltet einen Einfluss auf die Reakti-onsproduktverteilung (Konkurrenz von Einzelreak-tionen mit Reaktionsgeschwindigkeitskonstanten unterschie

40、dlicher Temperaturabhngigkeit). )auf Thermoplaste behandelt werden, die durch das Einwirken von Bestrahlung (UV, VIS, IR), Luftfeuchte- und Nssewechsel sowie Temperatur-wechsel entstehen knnen, also fr die Szenarien der Anwendung von Kunststoffen im Auenbereich sowie der Anwendung im Innenraumbereic

41、h. Umfassende Darstellungen zur Bewitterung von Polymeren und dem Nachweis von Bewitterungs-effekten sind z. B. in 1; 2 zu finden. 1 Scope This guideline will address the (ageing) effects of weather-induced stress1) on thermoplastic products that can result from the impact of radiation (UV, VIS, IR)

42、, alternating humidity and dampness, as well as temperature changes, i.e., for the scenarios in which plastics are used in outdoor areas, as well as for use in indoor areas. The effects of stress collectives will not be ad-dressed here when they play a secondary role in relation to the influence of

43、weather (e.g., the simul-taneous impact of corrosive gases or mechanical stress). While degradation that is induced solely by thermal stress is addressed in guideline VDI 3822 Part 2.1.5, temperature has an influence on all chemical reactions due to the temperature depend-ency of the reaction rate c

44、onstant. This includes an influence on the reaction product distribution (competition of individual reaction rate constants with different temperature dependencies). Comprehensive descriptions of the weathering of polymers and the identification of weathering ef-fects can be found in 1; 2. 2 Normati

45、ve Verweise Das folgende zitierte Dokument ist fr die Anwen-dung dieser Richtlinie erforderlich: VDI 3822:2011-11 Schadensanalyse; Grundlagen und Durchfhrung einer Schadensanalyse 2 Normative references The following document is required for the appli-cation of this guideline: VDI 3822:2011-11 Failu

46、re analysis; Fundamental and performance of failure analysis 3 Besonderheiten bei der Witterungs-beanspruchung Haupt-Abgrenzungscharakteristikum der Schden durch Witterungsbeanspruchung zu anderen Scha-densursachen ist eine starke Inhomogenitt der Schdigung auf und in der Probe des schadhaften Produ

47、kts. Da die UV-Bestrahlung in der Regel die effektivste unter den Witterungsbeanspruchungen darstellt, ist die Wirkung ihrer Ausrichtung auf Schdigungen relativ zu den anderen Beanspru-chungen besonders ausgeprgt. Eine deutliche Richtungsabhngigkeit in der Aus-prgung der Schdigung an einem schadhaft

48、en Produkt von der Hauptbestrahlungsrichtung (z. B. Orientierung einer Vergilbung an einem Produkt 3 Special characteristics of weather in-duced stress The main characteristic that differentiates defects due to weather induced stress from other causes of failure is the high degree of inhomogeneity f

49、ound on and in the sample of the defective product. Be-cause UV radiation, as a rule, represents the most effective form of weather induced stress, the effect of its direction on the defects is especially pro-nounced in relation to the other forms of stress. When the damage to a defective product exhibits a clear dependency on orientation towards the main source of radiation (e.g. the orientation of yellow-ing in a product