Stressabbau

In der Materialwissenschaft bezeichnet Spannungsrelaxation die beobachtete Abnahme der Spannung als Reaktion auf die in einer Struktur erzeugte Dehnung . Dies geschieht primär dadurch, dass die Struktur über einen bestimmten Zeitraum unter Spannung gehalten wird , wodurch eine gewisse plastische Verformung entsteht. Dies ist nicht mit Kriechen zu verwechseln , bei dem es sich um einen konstanten Spannungszustand bei gleichzeitig zunehmender Dehnung handelt.

Da Entspannung den Spannungszustand abbaut, bewirkt sie auch eine Reduzierung der Gerätereaktionen. Somit hat Entspannung denselben Effekt wie Kaltfederung, nur dass sie über einen längeren Zeitraum erfolgt. Das Ausmaß der Entspannung hängt von Zeit, Temperatur und Spannungsniveau ab; daher ist der tatsächliche Effekt auf das System nicht exakt bekannt, aber abgrenzbar.

Spannungsrelaxation beschreibt, wie Polymere unter konstanter Dehnung Spannungen abbauen . Aufgrund ihrer viskoelastischen Eigenschaften verhalten sich Polymere nichtlinear und nicht-Hookesch . ^{[ 1 ]} Diese Nichtlinearität wird sowohl durch Spannungsrelaxation als auch durch das sogenannte Kriechen beschrieben , welches die Dehnung von Polymeren unter konstanter Spannung beschreibt. Experimentell wird die Spannungsrelaxation mittels Stufendehnungsversuchen bestimmt, d. h. durch einmaliges, plötzliches Dehnen und Messen des Spannungsaufbaus und der anschließenden Spannungsrelaxation im Material (siehe Abbildung), entweder mittels Dehn- oder Scherrheologie .

Viskoelastische Materialien vereinen die Eigenschaften viskoser und elastischer Materialien und lassen sich durch die Kombination von Elementen modellieren, die diese Eigenschaften repräsentieren. Ein viskoelastisches Modell, das Maxwell-Modell, sagt ein Verhalten voraus, das dem einer in Reihe mit einem Dämpfer (viskoses Element) geschalteten Feder (elastisches Element) ähnelt, während das Voigt-Modell diese Elemente parallel schaltet. Obwohl das Maxwell-Modell die Spannungsrelaxation gut vorhersagt, ist es bei der Vorhersage des Kriechens eher ungenau. Das Voigt-Modell hingegen eignet sich gut zur Vorhersage des Kriechens, ist aber bei der Vorhersage der Spannungsrelaxation eher ungenau (siehe Viskoelastizität ).

Die extrazelluläre Matrix und die meisten Gewebe sind spannungsrelaxierend, und die Kinetik der Spannungsrelaxation gilt als wichtiger mechanischer Faktor, der die Migration, Proliferation und Differenzierung eingebetteter Zellen beeinflusst . ^{[ 2 ]}

Die Berechnungen zur Spannungsrelaxation können für verschiedene Materialien unterschiedlich sein:

Um es allgemeiner auszudrücken, verwendet Obukhov Potenzabhängigkeiten: ^{[ 3 ]}

${\displaystyle \sigma (t)={\frac {\sigma _{0}}{1-[1-(t/t^{*})(1^{1-n})]}}}$

Dabei ist die maximale Spannung zum Zeitpunkt der Entlastung ( t* ), und n ist ein Materialparameter. ${\displaystyle \sigma _{0}}$

Vegener et al. verwenden eine Potenzreihe zur Beschreibung der Spannungsrelaxation in Polyamiden: ^{[ 3 ]}

${\displaystyle \sigma (t)=\sum _{m,n}^{}{A_{mn}[\ln(1+t)]^{m}(\epsilon '_{0})^{n}}}$

Zur Modellierung der Spannungsrelaxation in Glasmaterialien verwendet Dowvalter Folgendes: ^{[ 3 ]}

${\displaystyle \sigma (t)={\frac {1}{b}}\cdot \log {\frac {10^{\alpha }(t-t_{n})+1}{10^{\alpha }(t-t_{n})-1}}}$ wobei eine Materialkonstante ist und b und von den Verarbeitungsbedingungen abhängen. ${\displaystyle \alpha }$${\displaystyle t_{n}}$

Folgende nicht-materielle Parameter beeinflussen die Spannungsrelaxation in Polymeren : ^{[ 3 ]}

• Größe der Anfangsbelastung
• Ladegeschwindigkeit
• Temperatur (isotherme vs. nicht-isotherme Bedingungen)
• Lademedium
• Reibung und Verschleiß
• Langzeitlagerung

• Kriechen
• Viskoelastizität
• Standard Linear Solid Model
• Burger-Material
• Maxwell-Material
• Kelvin-Voigt-Material