Betriebsfestigkeit und Lebensdauer von faserverstärkten Kunstoffen

Das Ermüdungsverhalten faserverstärkter Werkstoffe (FVW) ist für die Lebensdauervorhersagen von Bauteilen und Strukturen von großer Bedeutung. Das Verhalten von FVW unter dynamischer Belastung unterscheidet sich dabei stark vom Verhalten isotroper Materialien wie beispielsweise metallischer Werkstoffe. Bei FVW erfolgt die Ermüdung im Wesentlichen durch die Entstehung, das Wachstum und die Ausbreitung einer Vielzahl von Einzelrissen. Die Schädigungsentwicklung ist stark vom Aufbau des Laminats, von der Matrix und von den verwendeten Fasern abhängig. Der Schädigungsablauf ist daher sehr materialspezifisch, erfolgt aber typischerweise in folgenden Phasen:

  • Entstehung von Querrissen in Laminatschichten außerhalb der Belastungsrichtung
  • Entstehung von Längsrissen entlang lasttragender Fasern
  • Delaminationen entlang von Probenkanten
  • Delaminationen im Probeninneren aufgrund von Quer- und Längsrissen
  • Bruch lasttragender Fasern aufgrund des Ausknickens von Fasern
  • Faser-Matrix-Ablösungen aufgrund von Schubbeanspruchungen
  • Komplettes Versagen der Probe / des Bauteils

Wir testen FVW mit unserer Zugvorrichtung unter Zug-Druck- (R=-1), Zug-Schwell- (R=0) oder Druck-Schwell-Beanspruchung (R=-∞). Dabei wird über die Faserausrichtung die Belastungsart definiert: Faserlängs- oder Faserquerorientierung führt zu Zug- bzw. Druckbelastung, eine +/-45°-Orientierung führt zu Schub. Zur Vermeidung vorzeitigen Faserausknickens kann eine Knickstütze GZ-BS32 verwendet werden.

Mit unserer 3-/4-Punkt Wechselbiegevorrichtung charakterisieren wir die dynamischen Biegeeigenschaften von FVW, wobei auch hier über die Faserausrichtung zusätzlich Aussagen zu den Zug- und Druckeigenschaften der Materialien gewonnen werden können.

Das Ermüdungsverhalten wird dabei an Werkstoffen Ihrer Wahl wie beispielsweise mit GFK und CFK endlosfaser- oder langfaserverstärkte Kunststoffe mit duro- oder thermoplastischer Matrix untersucht. Wir führen Betriebsfestigkeitsuntersuchungen durch und erstellen Wöhlerlinien von Ihrer Materialkonfiguration.

 

 

Fatigue Testing of fiber reinforced plastics

Measuring the fatigue behaviour of fibre reinforced plastics (FRP) is the key to predict service lifetime of parts and structures, whereat the anisotropic FRP show a very different behaviour from isotropic materials like metals. For FRP, fatigue is essentially created by initiation, growth and propagation of a multitude of cracks. The evolution of damage is influenced not only by the materials of matrix and fibres but also by the composition of the laminate. Although it is highly specific to the individual material, it usually follows the stages below:

  • Initiation of lateral cracks in laminate layers out of loading direction
  • Initiation of longitudinal cracks alongside load-bearing fibres
  • Delaminationen alongside rim of specimen
  • Internal delaminationen due to lateral and longitudinal cracks
  • Fracture of load-bearing fibres due to buckling
  • Delamination due to shear stress
  • Complete failure of the part/ specimen

We use a traction device for alternation loading (R=-1), tensile pulsation loading (R=0) or compression pulsation loading (R=-∞). The fibre direction configuration specifies the type of stress: longitudinal or lateral for tension and compression, +/-45° for shear tests. In order to prevent early fibre buckling, we use the Anti-Buckling Test Fixture GZ-BS32.

For characterizing the dynamical flexural material properties we use our 3-/4-Point Flexural test fixture GZ B-50. Here, too, tensile and compression properties can be investigated using fibre orientation.

We monitor the fatigue behaviour of the material of your choice, e.g. thermoplastics or thermosets, reinforced with carbon or glass long or continuous fibres, performing endurance stress/ operational reliability tests and generating „Wöhler“ curves of your specific material configuration.