GIc-Test / DCB-Test nach ASTM D5528 und ISO 15024
Mit dem G1c Test nach ASTM D5528 oder nach ISO 15024 kann die kritische interlaminare Energiefreisetzungsrate von Composite Laminaten für Rissinitiierung und Rissfortschritt im Laminat unter Mode I Belastung ermittelt werden. Durch die verwendete Probengeometrie wird der Versuch auch häufig als DCB Test (Double Cantilever Beam) bezeichnet.
Aufgrund der Bedeutung dieser Prüfmethode und dieser Materialeigenschaft für Auslegung und Design von Composite Strukturen im Bereich der Luft- und Raumfahrt gibt es auch spezielle Industrienormen bei Airbus (AITM 1-0005) und Boeing (BSS 7273), die jedoch im Vergleich zur ASTM D5528 und ISO 15024 für die Ergebnis-Berechnung eine andere Vorgehensweise, die sogenannte Area-Methode, verwenden.
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Ziel und Einsatzbereich des GIc Tests
Als Delamination bei Faserverbundwerkstoffen bezeichnet man das Ablösen bzw. nicht verbundene Einzelschichten innerhalb eines Laminats. Ein solcher Schaden, bzw. eine solche Fehlstelle reduziert die mechanischen Eigenschaften des Laminats und ist somit besonders kritisch für Composite Strukturen.
Bei ungünstiger Belastung und wenn der kritische Wert der interlaminaren Energiefreisetzungsrate des vorliegenden Verbundwerkstoffs erreicht wird, kommt es zur Rissausbreitung im Laminat. Geschieht dies durch eine Zugkraft normal zur Riss-Ebene, spricht man von Mode I Belastung.
Mit Hilfe des DCB Tests (Double Cantilever Beam) nach ASTM D5528 oder ISO 15024 können Initiations- und Propagationswerte der kritischen interlaminaren Energiefreisetzungsrate unter Mode I Belastung zuverlässig ermittelt werden.
Double Cantilever Beam (DCB) Probekörper
Der Double Cantilever Beam (DCB) Probekörper nach ASTM D5528 und ISO 15024 wird aus einer Composite Probenplatte hergestellt, bei welcher auf einer Seite in der Symmetrie-Ebene des Laminats eine dünne Trennfolie eingelegt wurde. Die daraus entnommenen Probekörper lassen sich dann auf der Seite mit einlaminiertem Riss wie Biegebalken aufbiegen (daher der Name Double Cantilever Beam), während die Einzelschichten des Verbundes im restlichen Teil der Probe noch verbunden sind.
Zur Lasteinleitung werden meist Lasteinleitungsblöcke oder Scharnierlaschen auf die Probe geklebt. Für die visuelle Verfolgung des Rissfortschritts im Versuch werden auf die Probenkante Markierungen entsprechend der jeweiligen Normangaben aufgebracht.
ASTM D5528 & ISO 15024 Versuchsdurchführung
Die Krafteinleitungselemente der DCB Probe (Loading Blocks oder Scharnierlaschen) werden mit den Probehaltern der Prüfmaschine verbunden. Da der fabrizierte Riss am Ende der einlaminierten Trennfolie oft nicht scharf genug ist, und dadurch ein nicht repräsentativer G1c Wert bestimmt werden kann, wird der Riss zunächst etwas erweitert und ein scharfer „Pre-Crack“ erzeugt. Die Länge des Pre-Cracks wird exakt ermittelt und danach wird de Probe vollständig entlastet. Im zweiten Teil des DCB Tests wird die Probe erneut belastet bis der Riss das Ende der seitlich aufgebrachten Markierungen erreicht hat.
Für den Initiationswert der kritischen Energiefreisetzungsrate (gilt für Pre-Crack und für vollständigen Rissfortschritt) werden in der ISO 15024 drei unterschiedliche Kriterien beschrieben:
- Einsetzen der Nichtlinearität (NL): Bei reiner elastischer Verformung der Probenhälften ist die Kraft-Weg Kurve im Versuch zunächst linear. Das Kraft-Weg Wertepaar, an dem die Nichtlinearität der Kraft-Weg Kurve beginnt, wird zur Berechnung des Initiationswertes verwendet.
- Sichtbare Rissausbreitung (VIS): Das Kraft-Weg Wertepaar der Kraft-Weg Kurve, an dem sichtbar die Rissausbreitung beginnt, wird zur Berechnung des Initiationswertes verwendet.
- Nachgiebigkeits-Kriterium (5% oder Max): Für dieses Kriterium wird das Kraft-Weg Wertepaar ermittelt bei welchem die Nachgiebigkeit des ursprünglich linearen Teils der Kraft-Weg-Kurve um 5% reduziert ist. Falls zuvor das Kraftmaximum erreicht wird, wird dieses Kraft-Weg Wertepaar verwendet.
Für den jeweiligen Initiationswert wird die anfängliche Risslänge verwendet (ab einlaminiertem Riss bzw. ab Pre-crack). In der aktuellen Ausgabe der ASTM D5528 wird zur Bestimmung des Initiationswertes der kritischen Energiefreisetzungsrate nur noch das Nachgiebigkeits-Kriterium verwendet.
Propagationswerte werden für Risslängen und dazugehörige Kraft-Weg Werte-Paare an den seitlich aufgebrachten Markierungen ermittelt. Das Risswachstum wird visuell an der Seite des Probekörpers verfolgt. Dabei ist es sehr wichtig, dass die Aufzeichnung von Kraft, Weg und Risslänge synchronisiert erfolgt.
Die Auswertung der Risslänge kann manuell durch einen Bediener erfolgen, der mit einer Lupe den Rissfortschritt verfolgt oder computergesteuert mit einem Videoaufzeichnungssystem.
Zur Berechnung der R-Kurve (kritische Energiefreisetzungsrate aufgetragen über Risslänge, beinhaltet Initiation- und Propagations-Werte) werden in den beiden Normen verschiedene Auswerte-Methoden verwendet:
- ISO 15024 enthält Berechnungen entsprechend der Corrected Beam Theory (CBT) und entsprechend der Modified Compliance Calibration (MCC) Methode.
- ASTM D5528 verwendet die Compliance Calibration (CC) Methode und führt weitere Methoden im Anhang auf. Die Reduzierung auf die CC-Methode ist hier erfolgt, um Vergleichbarkeit zwischen den nach ASTM D7905 ermittelten G2c Fracture Toughness Werten unter Mode II Belastung zu gewährleisten.
Prüfmittel für den GIc Test nach ASTM D5528 und ISO 15024
Die ZwickRoell Einsäulen-Tischprüfmaschine zwickiLine eignet sich besonders für den GIc Test nach ASTM D5528 und ISO 15024.
Durch die Verwendung des motorisierten Videoaufzeichnungssystems für G1c Prüfungen werden Rissausbreitungsmessungen nachvollziehbar und komfortabler. Dazu wird eine Digitalkamera verwendet, die den Rissfortschritt entlang des Probekörpers aufzeichnet und einen Film vom gesamten Versuch erstellt. Anhand des erstellten Videos, kann jeder einzelne Versuch im Zweifelsfall nachträglich überprüft und die Messwerte bei Rissfortschritt korrigiert werden.
Die Prüfsoftware testXpert vereinfacht die Durchführung und Auswertung des G1c Versuchs wesentlich. Zum einen ist die Kamera mit testXpert verbunden, so dass der Rissfortschritt bequem auf dem Bildschirm verfolgt werden kann. Zum anderen verfügt testXpert über vorkonfektionierte Standardprogramme, die alle Methoden zur Berechnung der Initiations- und Propagationswerte der kritischen interlaminaren Energiefreisetzungsrate entsprechend der Vorgaben in der ASTM D5528 oder ISO 15024 enthalten.
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