Versagensverhalten langfaserverstärkter Verbundwerkstoffe

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Bei diesem Verbundwerkstoff, einem typischer Vertreter eines WMC, ist also der Winkel zwischen Faserorientierung und Belastungsrichtung von Bedeutung. Dies gilt auch für die Belastung unter Druck. Wird die Kraft in Faserorientierung eingeleitet, ergibt sich eine linearelastische Verformung bis zum spontanen Versagen unter Druckspannung, die aber nur halb so hoch ist wie die Zugfestigkeit.

Die Druckkraft führt zum lokalen Ausknicken der Faserbündel, da diese von der Matrix nicht gegen Ausknicken stabilisiert werden können. Mit zunehmendem Winkel zwischen Belastungs- und Faserrichtung steigen auch die überlagerten Scherspannungen auf, was zur Abnahme der Druckfestigkeit und im Fall von +45°/-45°-Proben zum Scherversagen führt.

Schädigungsprozesse führen zu stark nichtlinearem Verhalten

Wird der Werkstoff rein auf Scherung beansprucht, so bestimmt die Matrix das Werkstoffverhalten, weil die Fasern gar keine Last aufnehmen können. Die Schädigungsprozesse führen zu einem stark nichtlinearen Verhalten, großer Verformung und schließlich zum Versagen des Verbundes bei sehr niedriger Scherspannung, der Werkstoff ist also sehr scherempfindlich. Die experimentell ermittelten Festigkeiten unter Zug-, Druck- und Scherbelastung können in einem zweidimensionalen Spannungsraum dargestellt werden [4 und 5]. Es zeigt sich, dass die Festigkeiten gut abgeschätzt werden können, wenn man die Versagensmechanismen im Werkstoff kennt.

In Abhängigkeit vom Winkel zwischen Belastungsrichtung und Faserorientierung treten drei unterschiedliche Versagensmechanismen auf, die durch die Normalspannungen in Faserrichtung beziehungsweise durch die Schubspannungen ausgelöst werden. Zugversagen ist durch eine hohe Bruchspannung gekennzeichnet. Druckversagen durch Ausknicken der Faserbündel wird beobachtet, wenn die Fasern belastet werden und die Matrix das Ausknicken der Fasern nicht verhindern kann.

Scherversagen tritt bei Scherversuchen, aber auch bei Zug- und Druckversuchen auf, wenn die Belastungsrichtung nicht der Faserorientierung entspricht und die Hauptlast über die Matrix in den Verbundwerkstoff eingeleitet wird. Die einzelnen experimentellen Ergebnisse können diesen drei Versagensarten zugeordnet werden.

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