Kriechverhalten (Creep)

Definition und Einordnung (warum Polymere kriechen)

Kriechverhalten (Creep) beschreibt die langsame, zeitabhängige Formänderung eines Werkstoffs unter dauerhaft wirkender mechanischer Belastung. Gemeint ist also die Frage: Was passiert mit einer Dichtung, wenn eine Pressung oder Zugspannung über lange Zeit anliegt? Bei Kunststoffen und Elastomeren ist das besonders relevant, weil sie viskoelastisch sind. Viskoelastisch bedeutet, dass sich das Material teils wie eine Feder (elastisch) und teils wie eine zähe Flüssigkeit (viskos) verhält.

Der physikalische Hintergrund liegt in der Struktur von Polymeren. Ihre langen Molekülketten können sich unter Last langsam neu anordnen, verschieben oder orientieren. Diese Umlagerung braucht Zeit und führt dazu, dass die Verformung weiter zunimmt, obwohl die äußere Belastung gleich bleibt. Deshalb kann Kriechen bei Kunststoffen und Dichtwerkstoffen oft schon bei Raumtemperatur auftreten, während Metalle dafür typischerweise deutlich höhere Temperaturen benötigen.

Typisches Kriechbild (zeitlicher Verlauf)

Kriechen ist ein Langzeiteffekt. Bei konstanter Belastung nimmt die Verformung über Minuten, Stunden und Tage weiter zu und kann bei Dauerbeanspruchung auch über Jahre relevant bleiben. Wie schnell dieser Verlauf ist, hängt stark von der Temperatur und der Beanspruchung ab. Höhere Temperatur beschleunigt die Molekülbewegung, höhere Spannung erhöht den „Antrieb“ zur Umlagerung. Beides lässt die Verformung schneller anwachsen.

Abgrenzung: Kriechen vs. Spannungsrelaxation vs. Druckverformungsrest

In der Dichtungstechnik ist wichtig, was im Betrieb konstant bleibt. In vielen Dichtstellen wird die Dichtung beim Einbau auf einen bestimmten Weg gestaucht, also auf konstante Verformung gebracht. Dann ist häufig nicht das Kriechen als Messgröße im Vordergrund, sondern die Spannungsrelaxation. Relaxation bedeutet: Bei gleicher Verformung sinken Kraft und Spannung mit der Zeit. Praktisch heißt das: Die Dichtkraft lässt nach.

Der Druckverformungsrest (Compression Set) beschreibt dagegen die bleibende Verformung nach Entlastung. Er beantwortet die Frage: Wie gut „federt“ die Dichtung nach einer definierten Belastungszeit wieder zurück? Das ist verwandt mit Kriechen und Relaxation, aber nicht dasselbe. Deshalb sind die Kennwerte nicht direkt austauschbar, auch wenn sie oft gemeinsam diskutiert werden.

Mini-Vergleich: konstante Last vs. konstante Verformung

Warum Kriechen/Relaxation in Dichtstellen kritisch ist (Dichtkraftverlust und Leckage-Risiko)

Eine Dichtung funktioniert, weil sie eine ausreichende Anpressung erzeugt und damit Leckpfade schließt. In statischen Dichtstellen, etwa in einer Nut oder zwischen Flanschen, wird diese Anpressung meist durch Montagevorspannung aufgebaut. Wenn das Dichtmaterial kriecht oder relaxiert, sinkt die wirksame Spannung im Material und damit die Dichtkraft. Kritisch wird es, sobald die Rest-Anpressung unter eine erforderliche Mindestpressung fällt. Dann steigt das Risiko für Mikro-Leckage, besonders bei längeren Standzeiten oder erhöhten Temperaturen.

In realen Verbindungen kommt Vorspannverlust selten aus einer einzigen Ursache. Neben dem zeitabhängigen Verhalten der Dichtung tragen auch Setzvorgänge im Verbund bei, etwa durch Oberflächenanpassung, Rauheitsabtrag oder geringfügige Geometrieänderungen der Bauteile. Für die Praxis zählt deshalb die Systemantwort: Dichtung, Gegenflächen und Steifigkeit der Bauteile wirken zusammen.

Praxisbeispiel: statische Dichtung mit Standzeit

Eine statische Dichtung wird beim Einbau auf eine definierte Stauchung gebracht, damit anfangs eine sichere Dichtkraft entsteht. Über die Standzeit nimmt die Gegenkraft durch Spannungsrelaxation ab, obwohl die Einbaulage gleich bleibt. Wenn dann Druckschwankungen, Temperaturspitzen oder medienbedingte Weichmachung hinzukommen, kann die reduzierte Anpresskraft nicht mehr ausreichen. In solchen Fällen zeigt sich die Alterung oft zuerst als sehr kleine Leckage, bevor ein klarer Funktionsverlust sichtbar wird.

Einflussgrößen, Prüfung und konstruktive Stellhebel (kompakt)

Wie stark Kriechen und Relaxation ausfallen, hängt vor allem von Temperatur, Zeit und mechanischer Beanspruchung ab. In der Dichtungstechnik kommt der Mediumseinfluss hinzu: Quellung oder Extraktion (Herauslösen von Bestandteilen) kann den Werkstoff weicher machen und die zeitabhängige Verformung beschleunigen. Ebenfalls entscheidend sind die Steifigkeitsverhältnisse im System. Ein sehr steifes Gehäuse mit vergleichsweise weicher Dichtung kann dazu führen, dass ein Teil der Vorspannung über die Zeit in der Dichtung „verloren“ geht, weil das System nur wenig Ausweichmöglichkeit bietet.

Prüfungen und Kennwerte sollten zur jeweiligen Fragestellung passen. Für Kunststoffe wird Kriechen häufig über Zug-Kriechversuche erfasst (z. B. ISO 899-1). Für Elastomere im Dichtungseinsatz ist die Druckspannungsrelaxation bei konstanter Stauchung besonders praxisnah (z. B. ISO 3384-1). Der Compression Set (z. B. ISO 815 bzw. ASTM D395) ergänzt das Bild, beschreibt aber primär die bleibende Setzung nach Entlastung und ersetzt Relaxationsdaten nicht.

Prüfkennwerte richtig auswählen

Für die Auslegung stellt sich oft die Frage: Geht es um Verformungszunahme unter Last oder um Dichtkraftverlust bei definierter Einbauverformung? Wenn der Betrieb eine feste Stauchung vorgibt, sind Relaxationsdaten meist näher an der Realität. Kriechdaten sind besonders dann hilfreich, wenn eine Last über lange Zeit konstant bleibt oder wenn Bauteile durch Verformung ihre Lage verändern dürfen. Compression-Set-Werte eignen sich gut zum Materialvergleich, sollten aber nicht allein zur Vorhersage der Dichtkraft im eingebauten Zustand herangezogen werden.

Kurz-Checkliste für die Auslegung

Bei anspruchsvollen Anwendungen lohnt es sich oft, werkstoff- und systembezogene Prüfungen unter realistischen Temperatur- und Medienbedingungen einzuplanen; bei Bedarf ist spezialisierte Beratung sinnvoll.