Versagensarten HALPER Thomas 5BHFT Versagensarten Inhalt Zwischenfaserbruch .............................................................................................. 2 Delamination.......................................................................................................... 7 Faserbruch ............................................................................................................ 9 Laminatversagen ................................................................................................. 11 1 Versagensarten HALPER Thomas 5BHFT 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 2 Versagensarten HALPER Thomas 5BHFT 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. 3 Versagensarten HALPER Thomas 5BHFT 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. 4 Versagensarten HALPER Thomas 5BHFT 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. 5 Versagensarten HALPER Thomas 5BHFT 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. 6 Versagensarten HALPER Thomas 5BHFT 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. 7 Versagensarten HALPER Thomas 5BHFT 8 Versagensarten HALPER Thomas 5BHFT 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. 9 Versagensarten HALPER Thomas 5BHFT Faserbruch einer UD-Schicht 10 Versagensarten HALPER Thomas 5BHFT 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 11
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