Unterschiede zwischen Verbundmaterial- und Metallermüdung

Vergleichen und kontrastieren Sie die Ermüdung von Metallen und Verbundmaterialien.

Aus einem bestimmten Blickwinkel ähneln sich die Ermüdungsprozesse von Metallen und Verbundmaterialien: Beide beginnen mit einem Schaden, der sich ausbreitet und schließlich zu einem endgültigen Versagen führt. Die Dauerfestigkeit N f bzw. die Anzahl der Zyklen bis zum Ausfall lässt sich für beide als die Summe der Zyklen während des Schadensbeginns N i und der Zyklen während der Schadensausbreitung N p beschreiben.

Ein Unterschied ergibt sich hinsichtlich der in jeder Phase verbrachten Zeit. Bei Metallen beansprucht die Ausbreitung eines Risses einen großen Teil der Zeit eines Ermüdungsprozesses. Der Schadensbeginn wird gewöhnlich ignoriert, da in der Regel im Material viele Fehler wie z. B. Korngrenzen und Versetzungen vorhanden sind, die neue Defekte replizieren können. Die Ausbreitungsphase dauert länger, da Metalle einer Kaltverfestigung unterliegen. Wenn ein Riss versucht, sich durch das Metall auszubreiten, tritt Plastizität an der Rissspitze auf und bewirkt Rissabstumpfung und Kaltverfestigung. Der Prozess der Rissabstumpfung, Kaltverfestigung und Rissausbreitung kann für viele Tausende von Zyklen wiederholt werden. Folglich vereinfacht sich die Gleichung (34) für Metalle zu

Das Risswachstum während eines Zyklus der Ausbreitungsphase wird häufig mit einem empirischen Gesetz beschrieben, wie z. B. dem Gesetz von Paris.

Bei einem Verbundmaterial, z. B. einem unidirektionalen Kohlefaser-Epoxid-Laminat, ist die Kaltverfestigung vernachlässigbar. Dadurch wird die Ausbreitungsphase der Dauerfestigkeit viel kürzer als die Phase des Schadensbeginns. Dies liegt daran, dass ein Schaden sehr schnell bis zum endgültigen Versagen fortschreitet, sobald er sich in ausreichender Größe herausgebildet hat. Daher vereinfacht sich die Gleichung (34) für faserverstärkte Polymer-Verbundmaterialien (FRP-Materialien) zu

Der Schadensbeginn in einem FRP-Material wird durch einen kinetischen Prozess der Anhäufung von Mikrorissen gesteuert. Wenn eine kritische Dichte von Mikrorissen erreicht ist, bildet sich ein makroskopischer Riss. Diese Art von Ermüdungsausfall kann mit der kinetischen Bruchtheorie (KTF) [29-34] modelliert werden. Im Fall eines FRP-Verbundmaterials sind Spannungen in der Polymermatrix nicht identisch mit den Verbundmaterial-Spannungen. Um die KTF auf das Polymer anzuwenden, muss eine Methode zur Bestimmung der Matrixspannungen aus Spannungen auf Verbundebene implementiert werden. Daher setzen wir die Mehrphasen-Kontinuumstheorie (MCT) ein, um diese Polymermatrix-Spannungen aus Verbundmaterial-Spannungen, wie zuvor (unter Die MCT-Zerlegung) beschrieben, zu extrahieren, und verwenden KTF zur Prognose der Dauerfestigkeit der Matrix (und folglich des Verbundmaterials).