Systematische Ermittlung der Schädigungsmechanismen von kurzfaserverstärkten Thermoplasten unter Ermüdungslasten und Entwicklung einer Methodik zur zeiteffizienten Bestimmung der High-Cycle-Fatigue-Festigkeit

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Joachim Hausmann
• Fachliche Zuordnung: Polymere und biogene Werkstoffe und darauf basierende Verbundwerkstoffe
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 398483802

Das mechanische Verhalten von Faserverbundwerkstoffen war in den letzten Jahrzehnten Gegenstand umfangreicher nationaler und internationaler Forschungstätigkeiten. Jedoch gab es bisher eindeutig eine Fokussierung auf endlosfaserverstärkte Laminate meist mit duroplastischer Matrix. Dies liegt zum einen daran, dass die technische und wirtschaftliche Motivation für diese Hochleistungswerkstoffgruppe hoch ist, und zum anderen daran, dass die geometrische Beschreibbarkeit des Werkstoffs eindeutig möglich ist. Betrachtet man hingegen die mengenmäßigen Anteile der Verbundwerkstoffe, spielen kurzfaserverstärkte Thermoplaste die größte Rolle. Durch das Vordrängen der meistens im Spritzguss verarbeiteten (glasfaser-)verstärkten Thermoplaste in immer höherwertige Anwendungen besteht ein großer Nachholbedarf in der Erforschung des mechanischen Verhaltens. Dies betrifft insbesondere das Ermüdungsverhalten.Die Bestimmung von Wöhlerlinien und insbesondere der High-Cycle-Fatigue-Festigkeit (HCF-Festigkeit) sind mit hohem experimentellem Aufwand verbunden. Da dennoch die HCF-Festigkeit häufig Auslegungsziel ist, zielt das hier beantragte Forschungsvorhaben darauf ab, eine Prüfmethodik zur effizienten experimentellen Ermittlung der HCF-Festigkeit von kurzfaserverstärkten Thermoplasten zu entwickeln.Da für faserverstärkte Kunststoffe keine Dauerfestigkeit existiert, kann die Wöhler-Kurve nicht durch einen horizontalen Ast angenähert werden. Daher wird bei den meisten Untersuchungen zum HCF-Verhalten von faserverstärkten Kunststoffen ein Abbruchkriterium zwischen 1 Mio. und 10 Mio. Lastwechseln gewählt und alle Probekörper, die bis zu diesem Abbruchkriterium nicht versagen, werden als „Durchläufer“ gekennzeichnet. Diese Vorgehensweise ist im Hinblick auf die geringe Steigung der Wöhler-Kurve von faserverstärkten Kunststoffen im Bereich des HCF gerechtfertigt. Als HCF-Festigkeit wird im Folgenden die zu einer Lastwechselzahl von 10 Mio. gehörende Spannung definiert. Im Stahlbau wird diese Spannung als Dauerfestigkeit festgelegt.Unter Kombination von experimentellen Untersuchungen an den Einzelkomponenten sowie an Probekörpern aus kurzfaserverstärktem Thermoplast (engl. „short fiber reinforced thermoplastics“ - SFRT) und einer mikromechanischen Finite-Element-Modellierung (FEM) werden die Schädigungsmechanismen von SFRT unter quasi-statischer Zug- und zyklischer Zugschwellbelastung analysiert. Darauf aufbauend wird eine Vorgehensweise auf Basis von Schallemissionsprüfungen erarbeitet, die eine zeiteffiziente Ermittlung der HCF-Festigkeit ermöglicht. Außerdem werden die maßgebenden Materialeigenschaften identifiziert, die zu einem Versagen unter Zugschwellbelastung führen. Bei erfolgreichem Abschluss liegt am Ende Projekts eine Methodik vor, mit der in einstufigen Zugversuchen die HCF-Festigkeit von SFRT bestimmt werden kann.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen