Phänomenologie der Ermüdung von Verbundmaterialien

Bei Polymer-Matrix-Verbundmaterialien ist der Ermüdungsausfall in erster Linie ein matrixbestimmtes Ereignis.

Ermüdungsschaden beginnt mit der Häufung von Mikrorissen im Polymer. Diese Mikrorisse addieren sich am schnellsten in den frühen Phasen der Dauerfestigkeit. Mit zunehmender Anzahl der Zyklen nimmt die Zuwachsrate jedoch ab. Letztendlich können die Mikrorisse einen makroskopischen Riss bewirken, der rasch zu einem schwerwiegenden Ausfallereignis führen kann. Daher erfordert eine genaue Prognose der Dauerfestigkeit die Erfassung der pro Zyklus hinzugekommenen Mikrorisse.

Unidirektionale Materialien

Ermüdungsausfälle unidirektionaler Verbundmaterialien fallen in der Regel in drei Kategorien: achsenverschobene Ausfälle, Ausfälle entlang der Achse und Delaminierung. Ein achsenverschobener Ausfall tritt auf, wenn die Zugbelastung des Verbundmaterials mehr als nur ein paar Grad zur Faserachse [22] verschoben verläuft.

1. Der Ausfall ist gekennzeichnet durch Matrixrisse parallel zu Faser [23-24] oder Enthaftung zwischen den Grenzflächen von Fasern und Matrix.

2. Ein Ausfall entlang der Achse tritt auf, wenn eine Zugbelastung zyklisch in Faserrichtung angewendet wird. Wie bei den achsenverschobenen Ausfällen treten Mikrorisse zuerst in der Matrix auf, doch die Matrixrisse können sich nicht einfach durch die Fasern hindurch ausbreiten. Vielmehr werden die Risse an den Fasern aufgehalten, was zu mehr und stärkeren Spannungskonzentrationspunkten in der Faser führt [25].

3. Im Fall eines Verbundlaminats ist Delaminierung möglich. Auch Delaminierung ist ein Ausfallereignis, das aus der Häufung von Mikrorissen in der Matrix resultiert. Es reicht daher aus, die Häufung der Mikrorisse in der Matrix zu protokollieren, um einen Ermüdungsausfall aufgrund von Delaminierung zu prognostizieren.

   Anmerkung: Wenn Delaminierungen bereits vorhanden sind, bevor die Ermüdungsbelastung gestartet wird, sollten statt der Funktion für Ermüdungsausfall in Helius PFA integrierte FEM-Werkzeuge für die Rissausbreitung verwendet werden.

Gewebte Materialien

Die Ausfallmechanismen von gewebten Verbundlagen können in verschiedene Kategorien [26-28] unterteilt werden:

1. Querrisse in den Garnen während der anfänglichen Belastung. Dies wird als " Kniestärke" bezeichnet, weil die Matrixkonstituente ohne die Garne ausfällt und eine Änderung der Lagensteifheit bewirkt.
2. Während eines kleineren angewendeten Zyklenbereichs entwickeln sich Mikrorisse in der Matrixtasche, und das Verbundmaterial wird geringfügig weicher.
3. Während eines größeren angewendeten Zyklenbereichs entstehen in den Garnen lotrecht zur Belastungsrichtung Makrorisse, die eine weitere Erweichung der Lage bewirken.
4. Gleichzeitig zu (3) bewirken Delaminierungen zwischen dem Füll- und dem Kettgarn eine Entkopplung der Garne und weitere Aufweichung im Modul.
5. Es tritt ein endgültiger Ermüdungsausfall der Garne parallel zum Belastungsrichtung auf, und die Steifheit der Verbundmateriallagen geht verloren.