Energiefreisetzungsraten G

Bei der Charakterisierung von Faserverbundwerkstoffen spielen die Energiefreisetzungsraten als bruchmechanische Kennwerte eine herausragende Rolle.

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Mode I Messung
Mode II
Mixed Mode Bending

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Ziel der Prüfung

Diese Kennwerte liefern die rissflächenbezogene Energie, die bei einem definierten Probekörper aufgewendet werden muss, um einen Riss voranzutreiben. Das Ergebnis ist damit ein Wert, der die Rissausbreitungsempfindlichkeit eines Laminats beschreibt.

Bei der Messung wird nach der Art der Beanspruchung unterschieden.

Mode I: Rissöffnung
Mode II: Schubbeanspruchung längs der Laminatebene
Mode II Verdrehbeanspruchung quer zur Laminatebene

Die Messung von Energiefreisetzungsraten in Mode I wird am häufigsten angewandt und ist u.A. in den Normenreihen von ISO, ASTM und EN beschrieben. Für Mode III existiert derzeit keine Normung.

In der ASTM ist zudem ein Mixed-Mode Verfahren beschrieben, das eine Kombination von Mode I und Mode II Beanspruchung mit variierbaren Anteilen ermöglicht.

Mode I Messung im DCB-Prüfaufbau

Mode I Energiefreisetzungsraten werden üblicherweise mit dem DCB (Double Cantilever Beam) Probekörper durchgeführt.
Dieser Probekörper verfügt über einen Anriss in der Laminatebene, der z.B. durch eine beim Laminieren eingelegte Kunststofffolie erzeugt wurde.
Die Beanspruchung kann über aufgeklebte Loading-Blocks, über Scharniere oder über spezielle Aufnahmen die in den Rissspalt eingeklemmt werden aufgebracht werden.
Während der Prüfung wird die Rissöffnung dabei als Traversenweg gemessen und um den Betrag der Verformung der Probekörperschenkel korrigiert. Aus dem Integral der gemessenen Kraft über die Verformung wird die eingesetzte Energie berechnet. Das Risswachstum wird visuell an der Seite des Probekörpers verfolgt.

Die Auswertung der Risslänge kann manuell durch einen Bediener erfolgen, der mit einem Vergrößerungsglas auf die markierte Seitenfläche des Probekörpers schaut. Um eine bessere Rück-verfolgbarkeit der Messung zu erzielen, werden digitale Lupen verwendet, die nach Rissfortschritt entlang dem Probekörper mitgeführt werden und während der Messung einen Film aufzeichnen.
Dieser Film wird Frame-für-Frame mit der Messwertkurve synchronisiert. So kann die Prüfung im Zweifelsfall nachträglich überprüft und auch korrigiert werden.
Die Prüfabläufe und Ergebnisauswertungen unterscheiden sich je nach Normanwendung.
Normen sind: ISO 15024, ASTM D 5528, AITM 1-0005, AITM 1-0053, Boeing BSS 7273, CRAG method 600, NASA method RP 1092 ST-5, ESIS TC 4, prEN 6033 (zurückgezogen)

Mode II – Messung im SENB / ENF Prüfaufbau

Mode II Beanspruchungen können sowohl im Biegeversuch, als auch in Zug- und Druckversuch mit gekerbten Probekörpern erzeugt und gemessen werden.

Die Messung der Mode II Energiefreisetzungsrate ist als Biegeversuch genormt. Hier werden die im Biege-versuch auftretenden Schubspannungen genutzt um den Riss voranzutreiben. Die Probekörper werden mit SENB (Single End Notch Bending) bezeichnet, aber auch ENF (End Notch flexure) ist ein gebräuchlicher Term. Die Durchbiegungsmessung erfolgt über den Traversenweg (mit Steifigkeitskorrektur), oder mittels eines Wegaufnehmers, der mittig angesetzt wird.

Der Rissinitiierungspunkt ist durch ein Kraftmaximum charakterisiert. Am Ende der Messung wird der Probekörper in Flüssigstickstoff gekühlt und dann vollständig gebrochen um die Bruchflächen zu vermessen.

Mixed Mode Bending (MMB)

„Mixed Mode“ Biegung kann an unidirektionalen Laminaten gemessen werden. Kombiniert werden dabei Mode I und Mode II, wobei die Position des Krafteinleitungsbügels die jeweilige Mode I und Mode II Anteile bestimmt.