Mikrofraktographische Analyse des Delaminationswachstums in zyklisch belasteten Kohlenstoffaser/Duroplastharz‐Verbundwerkstoffen

Abstract Kohlenstoffaserverstärkte Kunststoffe (CFK) sind bekanntlich weit weniger empfindlich gegenüber Schwingbelastung als beispielsweise Aluminium (Al)‐Legierungen. Jedoch bereits beim Auftreten Kleiner Delaminationen kann sich die Schadenstoleranz von Bauteilen beträchtlich verringern. Der vorliegende Beitrag beabsichtigt, die Phänomene der Ermüdung in CFK‐Werkstoffen (mit duroplastischer Matrix) mit den Mitteln der Mikrofraktographie zu erforschen. Die mikrofraktographischen Merkmale in den Bruchflächen spiegeln die Vorgänge von Deformation und Bruch an der Delaminationsfront wider. Das Ermüdungsverhalten eines CFK‐Laminats wird unter zyklischer Mixed‐Mode Belastung durch matrixkontrollierte Schadensmechanismen bestimmt. Bei reiner Modus‐II Belastung entstehen neben Schwingstreifen in den Faserbetten „Roller”. Der Entstehungsmechanismus letzterer konnte mit Hilfe der Hochauflösungs‐Feldemissions‐Rasterelektronen‐Mikroskopie aufgeklärt werden. Das Verhältnis der örtlichen Zug‐zur Scherspannungskomponente wirkt sich in der Bruchfortschrittsrichtung der von den Fasern ausgehenden Sekundärrisse aus. Die örtlichen Bruchrichtungen in diesen Sekundärrissen lassen sich durch die sich in der Matrix abzeichnenden Schwingstreifen erkennen. Ein Vergleich zur statischen Mixed‐Mode Belastung zeigt, daß in beiden Fällen die Rißausbreitung einem Pfad der höchsten lokalen Hauptspannung folgt. Mit Hilfe von mathematischen Beziehungen aus der Elastizitätstheorie konnte für Mixed‐Mode Belastung ein Modell entwickelt werden, welches die Vorhersage von Rißverläufen und somit der Bildung von typischen bruchmorphologischen Merkmalen erlaubt.