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Schädigungen auf der Spur

Zugversuche an kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen (CFK)
Schädigungen auf der Spur

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Die innere Struktur von Verbundmaterialien, die für den automobilen Leichtbau genutzt werden, ist komplex. Um den Entstehungs- und Zerstörungsmechanismus verstehen zu können, hat Shimadzu eine neue Prüfmethode entwickelt. Zum Einsatz kommen für den Zugtest mit DIC-Dehnungsanalyse eine Universalprüfmaschine und eine Hochgeschwindigkeits-Videokamera.

Zahlreiche neue Werkstoffe werden mit dem Ziel entwickelt, die Anforderungen der Automobilindustrie im Hinblick auf Gewichtsreduktion auszutarieren. Bei Kunst- und Verbundstoffen sind dies beispielsweise kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff (CFK) und glasfaserverstärkter Kunststoff (GFK). Hier gilt es, Gewichtsreduktion und hohe Festigkeitseigenschaften zu verbinden. Diverse Materialien sind bereits im Einsatz, aber es wird stetig in diese Richtung weitergeforscht. Bei Verbundmaterialien ist die innere Struktur kompliziert, so dass andere Fehler- oder Versagensarten auftreten können als bei konventionellen Materialien. Wenn sich die Ausfallursache durch strukturelle Analysesimulationen veranschaulichen lässt, macht die Entwicklung von Automobilteilen aus Verbundmaterialien große Schritte nach vorne.

Deshalb ist es wichtig, den Entstehungs- und Zerstörungsmechanismus zu verstehen. Eine neue Prüfmethode, die Shimadzu gemeinsam mit der japanischen Raumfahrtbehörde Japan Aerospace Exploration Agency( JAXA) entwickelt hat, meldet die Struktur der Verbundmaterialien rück. Zum Einsatz kommt dabei eine Präzisions-Universalprüfmaschine Autograph AG-X plus 250 kN und eine Hochgeschwindigkeits-Videokamera Hyper Vision HPV-X, um das statische Bruchverhalten eines CFRP zu ermitteln, basierend auf der Prüfkraftdämpfungskurve und den Materialbruch-Bildern.

Für Tests wurde eine CFK-Laminatplatte durch Auflaminieren von vorimprägniertem Material hergestellt, mit in einer einzigen Richtung angeordneten Fasern. Auflaminiert wurden 16 Materiallagen mit +45°, 0°, –45°, und +90° angeordneten Fasern in 2-lagiger Anordnung. Ein Loch von 6 mm Durchmesser wurde in den Mittelpunkt einer Probe dieser CFK-Laminatplatte gebohrt. Bruchstellen sind dafür bekannt, sich in Verbundmaterialien leicht von einer ursprünglichen Schädigungsstelle auszubreiten. Ist ein Riss oder Loch vorhanden, ist die Werkstofffestigkeit merklich herabgesetzt. Mit Blick auf einen sicheren Einsatz von CFK-Materialien ist es daher extrem wichtig, die Festigkeit von Proben mit offenen Bohrlöchern zu bewerten.

Die Prüfmaschine erzeugt ein Kamerasignal

Bei diesem Test wurde ein Lastwechsel genutzt, der im Verlauf des Probenbruchs eintrat, um die HPV-X-Hochgeschwindigkeits-Videokamera auszulösen. Konkret wurde die AG-X-plus Präzisions-Universalprüfmaschine darauf eingerichtet, ein Signal zu produzieren, sobald die Prüfkraft auf der Probe ihr Maximum zur Hälfte erreicht. Dieses Signal wird zu der Hochgeschwindigkeits-Videokamera gesendet.

Eine Aufnahme lässt sich dahingehend interpretieren, dass die Probe in dem Moment brach, als die maximale Prüfkraft erreicht war, also zum Zeitpunkt der plötzlichen Probeentlastung. Dieses Testsystem kann dazu eingesetzt werden, eine Hochgeschwindigkeitsabtastung durchzuführen, um im Detail eine Prüfkraftänderung im Bereich der maximalen Prüfkraft zu messen. Das Zeitintervall zwischen den Datenpunkten im Prüfkraft-Plot beträgt 3,3 μs.

Weitere Aufnahmen 1 bis 8 (nebenstehendes Bild) zeigen das Probenverhalten während des Bruchvorgangs im Bereich des Bohrlochs. Aufnahme 1 stellt den Rissbildungsmoment dar, der in der Oberfläche der +45°-Lage auftritt. In diesem Bild deformiert die angewandte Zuglast das runde Bohrloch, mit einem etwa 1,4-fach größeren Lochdurchmesser in Zugrichtung als senkrecht zur Zugrichtung.

In Aufnahme 2 (Bild rechts oben) schreiten entstandene Risse um das runde Loch entlang der Oberfläche in der +45°-Lage voran. In den Aufnahmen 3 bis 6 lässt sich im äußeren Erscheinungsbild der Probe eine wesentliche Veränderung nah am Ende eines Risses beobachten, der sich nach unten rechts vom runden Bohrloch fortsetzt. Dies lässt vermuten, dass nicht nur die Oberflächenschicht, sondern auch innere Schichten brechen. Basierend auf Aufnahmen des gleichen Gebiets und dem Zustand der inneren Schichten, der sich am Rand des runden Bohrlochs in den Aufnahmen 7 und 8 erkennen lässt, hat sich der innere Bruch schnell in dem 18 μs dauernden Zeitintervall zwischen den Aufnahmen 3 und 8 entwickelt.

Die Digitale Bildkorrelationsanalyse (DIC) (Bild rechts) vorgenommen an den Aufnahmen zu den Bruchbeobachtungen zeigen: Schwarz kennzeichnet in der Probe sind gering belastete Bereiche der Oberflächenschicht und rot Bereiche unter erheblicher Belastung. Bei Betrachtung der Aufnahmen 1 bis 4 ergibt sich, dass sich die Belastung im Umfeld des runden Bohrlochs diagonal nach oben-links (-45°) und nach unten-links (+45°) verteilt. Die Aufnahmen 5 bis 8 zeigen die Fokussierung der Belastung diagonal in Richtung unten rechts (-45°) und oben rechts (+45°) vom Bohrloch in Bereiche, welche in den Aufnahmen 1 bis 4 nicht ersichtlich waren. Dies weist auf ein Ereignis in der Oberflächenschicht der Probe hin, das Bruchabläufen ähnelt, die oft in Zugfestigkeitsprüfungen formbarer Metallwerkstoffe festgestellt werden, beispielsweise Rissausbreitung in Richtung der maximalen Scherspannung. ■


Der Autor

Daisuke Matsui

Ingenieur

Shimadzu Europa

www.shimadzu.eu

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