Versagensarten
HALPER Thomas 5BHFT
Versagensarten
Inhalt
Zwischenfaserbruch .............................................................................................. 2
Delamination.......................................................................................................... 7
Faserbruch ............................................................................................................ 9
Laminatversagen ................................................................................................. 11
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1.Zwischenfaserbruch
Der Zwischenfaserbruch ist im grundlegendem eine Werkstofftrennung, die
überwiegend zwischen den Fasern durch das Matrixmaterial, aber auch längs der
Faser/ Matrix Grenzflächen verlaufen kann und die UD-Schicht in ihrer Gesamtdicke
durchtrennt.
Beim Zwischenfaserbruch entsteht zuerst nur ein Riss in der betroffenen Lage und die
betroffene Schicht weiterhin mit dem Laminat verbunden bleibt, was bedeutet, dass
der Riss der Einzelschicht an der Nachbarschicht gestoppt wird. Der Grund dafür ist,
dass die Energie dafür nicht ausreicht um die weitaus hochfesteren Fasern zu
durchtrennen. Stellt sich eine nahezu regelmäßige Verteilung der Risse mit mittlerem
Rissabstand ein, der ca. 0.5- bis 1.5-fache der Schichtdicke beträgt, so wird dieser
Zustand in der Literatur häufig als der charakteristische Schädigungszustand
(Characteristic Damage State CDS) bezeichnet.
Abhängig von den dominierenden Spannungen kann der Zwischenfaserbruch in 3
verschiedene Modi eingeteilt werden, A, B und C.
Schub in
Faser- und Querrichtung
Zug
Druck
Schub 90°
Diese Einheitswürfel zeigen die Normal- und Schubspannungen
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Modus A:
Der Zwischenfaserbruch dieses Modus wird durch das gleichzeitige Einwirken einer
positiven Querzugspannung (σ⊥ (+)) und einer Quer/Längs- Schubspannung (τ⊥||)
bewirkt. Die Risse verlaufen in Dickenrichtung bzw. parallel zur Faser und es entsteht
so
ein
Trennbruch.
Es
kann
auch
der
Grenzfall
eines
einachsigen
Spannungszustandes auftreten, bei vorherrschen einer reiner Querzugbeanspruchung
oder reinen Quer/Längs-Schubspannung.
Die betroffenen Schichten werden an den gerissenen Stellen kraftfrei, wodurch sich
die „Quer-Steifigkeiten“ der Schicht im Mittel verringern, umso mehr, je mehr Risse
entstehen.
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Modus B:
Gleich wie beim Bruchmodus A, wird dieser Zwischenfaserbruch durch ein
gemeinsames Wirken einer Querspannung und Quer-/Längs-Schubspannung (τ⊥||)
bewirkt.
Jedoch
handelt
es
sich
bei
der
Querspannung
um
eine
Querdruckbeanspruchung (σ⊥ (-)) wodurch sich die Rissufer nicht öffnen können.
Diese Spannung behindert durch eine Art innere Reibung, dadurch, dass Druck
ausgeübt
wird,
auch
den
Bruch.
Diese
Reibung
wächst
mit
steigender
Querdruckbeanspruchung an und behindert den Quer/Längs Schubbruch. In
Laminaten mit drei und mehr Faserrichtungen kommen Zwischenfaserbrüche des
Modus B selten vor, weil hierfür Spannungszustände nötig sind, bei denen die
Quer/Längs
Schubspannung
dem
Betrage
nach
größer
ist
als
die
Querdruckspannung.
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Modus C:
Bei einem mehrachsigen Spannungszustand mit den Querdruckspannungen (σ⊥ (-))
und Quer-/Längs-Schubspannung (τ⊥||) im Fall einer ebenen Betrachtung oder einer
zusätzlichen Quer/Quer Schubspannung im räumlichen Spannungsraum tritt ein
Versagen nach dem Modus C ein. Die Bedingung hierfür ist eine größere
Querdruckspannung als im Vergleich zu der zu einem Bruch führenden
Querdruckspannung in Modus B.
Im Unterschied zum Bruchmodus B, findet ein Bruch nicht in der gemeinsamen
Wirkebene der zuvor beschriebenen Hauptspannungen statt. Diese unter einem
bestimmten Winkel stehende Ebene wird als Bruchebene bezeichnet. Der Winkel wird
als Bruchwinkel bezeichnet und kann Werte von etwa +/- 50 Grad annehmen. Beim
Übergang vom Bruchmodus B auf C ist dieser Winkel Null Grad.
Besonders gefährlich sind Zwischenfaserbrüche des Modus C für ein Laminat, da
Sprengkräfte aufgrund der Keilwirkung des schrägen Bruches in Dickenrichtung
hervorgerufen werden.
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Vermeidungsstrategien
Um einen Zwischenfaserbruch zu verhindern können einige Maßnahmen getroffen
werden. Drei bedeutende sind zum einen der Einsatz einer Matrix mit höherer
Bruchzähigkeit, wodurch die Rissbildung und Rissausbreitung verringert werden
können. Zum anderen können durch eine Optimierung der Schichten lokale
Spannungsspitzen verringert werden. Als dritten Punkt wird durch eine stärkere
Bindung zwischen Faser und Matrix ebenso die Wahrscheinlichkeit einer Rissbildung
im Bereich der Grenzfläche verringert.
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2.Delamination
Bei der Delamination sind ebenso wie bei den Zwischenfaserbrüchen die
Grenzflächen, mit denen die Schichten an ihre Nachbarschicht angrenzen
Schwachstellen, weil keine Faserverstärkung wirksam wird. In beiden Fällen wird
wenig Energie benötigt, um einen Bruch zu erzeugen, da keine hochfesten Fasern
durchtrennt werden müssen.
Im Gegensatz zu den Zwischenfaserbrüchen, können die Zwischenschichtbrüche nur
durch interlaminare Spannungen verursacht werden. Diese sind jedoch in ungestörten
Laminatbereichen oder verhältnismäßig dünnen Laminaten meist sehr klein und führen
daher in diesen Bereichen, wenn nicht ein Zwischenfaserbruch vorhergeht, zu keinem
Laminatversagen. Das heißt, Delamination tritt meist erst ein, wenn zuvor ein
Zwischenfaserbruch aufgetreten ist. Delamination geht oft von steigender Belastung
aber auch durch schwingende Belastung hervor.
Probleme treten meist in Krafteinleitungsbereichen oder stark gekrümmten Bereichen,
also in inhomogenen Laminatbereichen auf. Durch die daraus resultierenden schwer
zu
erfassenden
inhomogenen Spannungszustände
ist die Vorhersage
von
Delaminationen sehr schwierig.
Durch Delamination wird im grundlegenden die Biege- und Drillsteifigkeit reduziert.
Dadurch kann es durch Beulen oder Knicken zum Versagen des Bauteils führen.
Delamination tritt auch an den Rändern auf (dann als Laminat- Randeffekt bezeichnet).
Aus dem Grund, dass sich dreidimensionale Spannungszustände bilden, kann
Versagen durch Delamination auch schon vor den Grenzen der gerechneten
klassischen Laminatstheorie eintreten.
Vermeidungsstrategien
Auch bei der Delamination gibt es bestimmte Verfahren, um diese Art des Versagens
zu vermeiden. Dazu zählen das Verbauen von Z-förmigen Verstärkungen oder Nähten,
um die Schichtbindung zu verbessern, aber auch das Verwenden von zäheren
Matrixwerkstoffen, die die Rissbildung und Rissausbreitung verzögern.
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3.Faserbruch
Im Vergleich zu den bereit erwähnten Versagensarten sind Faserbrüche die einzigen
„erwünschten“ Brüche in Faserverbundbauteilen, da die Fasern die eigentlichen
Tragelemente sind und diese bis zur Festigkeitsgrenze ausgelastet.
Unter Faserbruch ist das nahezu gleichzeitige Versagen einer Einzelschicht über einen
größeren Bereich (mehrere Millimeter bis Zentimeter) zu verstehen. Anders als bei
Zwischenfaserbrüchen, ist die Art des Versagens nicht tolerierbar. Weiters sei noch zu
erwähnen, dass der Faserbruch schlagartig einsetzt, was auf die allgemeine geringe
Bruchdehnung
von
Faserverbundwerkstoffen
zurückzuführen
ist
(spezielle
Faserverbundwerkstoffe sind davon ausgenommen).
Beim Faserbruch gibt es keine ausgeprägte Bruchebene. Bei 70 bis 80% der Bruchlast
können schon die ersten Elementarfasern des Faserverbundes brechen. Durch den
Bruch in einer Schicht des Laminates, kann es auch zur Beschädigung benachbarter
Schichten kommen. Durch den schlagartigen Eintritt des Faserbruches ist es schwierig
festzustellen, welche Vorgänge sich beim Faserbruch abspielen.
Schubknicken ist ein Effekt, der aus dem Faserbruch hervorgeht. Die anderen
Schichten können die Kräfte nicht mehr halten, wodurch es zum Knicken und damit
zum Bruch kommt.
Vermeidungsstrategien
Um den Faserbruch zu vermeiden kann man einerseits hochfestere Fasern
verwenden, die eine hohe Bruchdehnung haben. Weiters kann man wiederum den
Laminataufbau optimieren, um Spannungsspitzen zu vermeiden, aber auch einen
stabileren Matrixwerkstoff verwenden.
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Faserbruch einer UD-Schicht
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4.Laminatversagen
Das Laminatversagen ist grundsätzlich eine undefinierte Versagensart. Beim
Laminatversagen destabilisiert sich das Laminat in Form einer fortschreitenden
Auflösung. Da das Zusammenspiel zwischen den einzelnen Schichten und der
Faserrichtung durchaus kompliziert ist, ist es nur eingeschränkt möglich das Laminat
mit den heutigen Mitteln zu berechnen einigermaßen der Realität entsprechend zu
berechnen.
Das Laminatversagen tritt nur unter bestimmten Bedingungen auf. Davon betroffen
sind vor allem sehr dünne Schichten, bei denen aber ein Faserbruch nicht direkt zum
Versagen des ganzen Bauteils führt. Weiters ist entscheidend, dass die benachbarten
Schichten nicht zu stark beansprucht sind. Daher setzt das Laminatversagen voraus,
dass das Laminat aus mindestens drei unterschiedlichen Faserrichtungen besteht. Bei
weniger Faserrichtungen würde der Faserbruch zum Totalversagen des Bauteils
führen.
Zum Laminatversagen kommt es, da die Fasern versuchen, sich in die Richtung zu
bewegen, in der sie den höchsten Spannungsausgleich erzielen können. Weiter
bedeutet das, dass die Fasern dann nicht mehr in den Hauptbelastungsrichtungen
liegen. Das heißt, Laminatversagen tritt auf, wenn das Fasernetzwerk nicht mehr direkt
in den Hauptbelastungsrichtungen liegt.
Laminatversagen eines Rohres
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