Materialverhalten bei hohen Dehnraten


Luciano Avila Gray, M.Sc.

Teamleiter

Tel.: +49 (89) 289 - 15203
E-Mail: avilagray@lcc.mw.tum.de

Faserkunststoffverbunde (FKV) werden heutzutage in zunehmendem Maße in der Luftfahrt also auch im Automobilbereich eingesetzt und können dabei hohen dynamischen Lasten (Impact, Crash) ausgesetzt sein. Aus diesem Grund ist es notwendig das dehnratenabhängige Materialverhalten von FKV und Polymeren zu untersuchen und ggfls. bei der Auslegung zu berücksichtigen. Durch eine rasante Entwicklung im Bereich der Hochgeschwindigkeits-kameratechnologie und der Etablierung von optischen Messmethoden, konnte die Genauigkeit hochdynamischer Versuche in den letzten Jahren stetig verbessert werden.  Am LCC wird das hochdynamische und dehnratenabhängige Materialverhalten mit Hilfe der sogenannten Split-Hopkinson Bar Methode untersucht. Neben dem klassischen Versuchsaufbau für Druckversuche, dem Split-Hopkinson Pressure Bar (SHPB), stehen am LCC ein Split-Hopkinson Tension Bar (SHTB) sowie ein Split-Hopkinson Torsion Bar (SHToB) zur Verfügung.

Split-Hopkinson Bar Methode

Die Split-Hopkinson Bar Methode eignet sich hervorragend für die Bestimmung des mechanischen Werkstoffverhaltens von FKV im Dehnratenbereich von ca. 50 - 2000 s-1. Das Versuchsprinzip beruht auf der Erzeugung und Ausbreitung von elastischen Wellen in den meist aus Metall gefertigten Bars. Die durch Impact zwischen Striker- und Incident-Bar erzeugte Incident-Welle wird beim Auftreffen auf die zwischen Incident- und Transmission-Bar eingespannte Materialprobe zum Teil reflektiert und transmittiert. Aus den drei gemessenen Dehnungswellen lässt sich dann im klassischen Experiment mit Hilfe der sogenannten Split-Hopkinson Pressure Bar Analyse das Kraft-Zeit, Dehnungs-Zeit und Dehnraten-Zeit Signal der Probe ermitteln. Da die Verformung der Probe auf eine Partikelbewegung in den Metall-Bars zurückzuführen ist und somit keine großen Massen beschleunigt werden müssen, kann mit Hilfe der Split-Hopkinson Bar Methode das hochdynamische Material-Verhalten von FKV ohne störende Masse-Trägheitseffekte untersucht werden. Je nach Art der Einbringung der Incident-Welle unterscheidet man zwischen Druck-, Zug- oder Torsions-Hopkinson Bars
(vgl. Abbildung 1).

Abbildung 1: Schematische Darstellung verschiedener Hopkinson-Bar Varianten

Hochgeschwindigkeitskamera

Die Verformung der Probe wird mittels einer Photron SA5 Hochgeschwindigkeitskamera aufgezeichnet. Dies ermöglicht unteranderem Rückschlüsse auf den Versagensmodus (Abbildung 2) und liefert die für die optische Dehnungsauswertung mittels Digital Image Correlation (DIC, vgl. Abbildung 3) benötigen Bilder. Die maximale Bildrate der Kamera beträgt dabei bis zu 775.000 Bilder/s.

Abbildung 2: Versagensmechanismus einer UD Carbon-Epoxy Probe unter Matrixdruckbelastung im SHPB Versuch [Koerber et al., Mechanics of Materials, 42 (2010)]

Optische Dehnungsmessung

Durch den Einsatz modernster optischer Messmethoden, wie Digital Image Correlation (DIC), kann bei dem für FKV üblichen orthotropen Werkstoffverhalten eine umfassende Information über den Verformungs- und Dehnungszustand der Probe auch bei hochdynamischen Versuchen gewonnen werden.

Abbildung 3: Axiales Dehnungsfeld einer textilen CFK Probe unter off-axis Belastung im SHPB Versuch