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Arcan-Prüfkörper

Allgemeines

Mit dem Arcan-Prüfkörper können bruchmechanische Kennwerte bei Mode I, Mode II und Mixed Mode Belastung ermittelt werden. Der Bruchmechanikprüfkörper und die dazugehörige Arcan-Vorrichtung wurden nach ihrem Erfinder benannt [1]. Sie wurde mit dem Ziel entwickelt, eine gleichförmige ebene Spannung in dem Testbereich zu erhalten (siehe Bild 1).

Prüfkörperform

Arcan.jpg

Bild 1: Arcan-Testvorrichtung und Prüfkörpergeometrie

Der Prüfkörper wird mit einem einseitigen Anfangsriss versehen (z. B. V-Kerb). Erfolgt die Belastung in y-Richtung erhält man folgende Beanspruchungsmoden:

\alpha = 0° Mode I
\alpha = 45° Mixed Mode
\alpha = 90° Mode I

Durch Veränderung des Winkels \alpha wird ein kombinierter Zug- und Scherspannungszustand im Testbereich erreicht. Ein Vorteil dieses Prüfkörpers ist die Wiederverwendbarkeit der Metallvorrichtung. Der Verbundwerkstoffprüfkörper wird an die Metallvorrichtung geklebt und kann nach dem Testen durch erhitzen des Prüfkörpers und der Vorrichtung über die Glasübergangstemperatur des Klebers abgelöst werden.

Jurf und Pipes [2] erweiterten den Nutzen der Vorrichtung durch den Austausch der charakteristischen V-gekerbten Arcan-Prüfkörper mit einem einseitig angerissenen Prüfkörper (siehe Bild 2).

Arcan riss.jpg

Bild 2: Arcan-Bruchmechanikprüfkörper

Durch Veränderung des Winkels \alpha von auf 90° können Werte für Modus II, Mixed-Mode und Modus I gesammelt werden (siehe Bruchmoden). Der gewählte Belastungswinkel wird durch Montierung der Vorrichtung mit zwei gegenüberliegenden Bohrungen erreicht.

Bestimmungsgleichung für Spannungsintensitätsfaktoren

Für einen gegebenen Winkel \alpha können die "Fernfeld"-Normal- und Scherspannung erhalten werden, wobei die Spannung \sigma_A als die aufgewendete Kraft F dividiert durch die Querschnittsfläche A des Verbundwerkstoffprüfkörpers definiert ist.

\sigma_{\infty}=\sigma_A \cdot sin \alpha
\tau_{\infty}=\sigma_A \cdot cos \alpha

Basierend auf den Normal- und Scherspannungskomponenten können die Spannungsintensitätsfaktoren KI (Modus I) und KII (Modus II) bestimmt werden:

K_I=\sigma_{\infty} \cdot \sqrt{\pi \cdot a} \cdot f_I \left(a/c\right)
K_{II}=\tau_{\infty} \cdot \sqrt{\pi \cdot a} \cdot f_{II} \left(a/c\right)

wobei a die Risslänge und c die Abmessung des Prüfkörpers entlang des Risses ist. Die Korrekturfaktoren fI und fII sind in [2] für endliche Risslängen-zu-Prüfkörperlängen-Verhältnisse angegeben:

f_I \left( a/c \right)=1,12-0,231 \left( a/c \right)+10,55 \left( a/c \right)^2-21,27\left( a/c \right)^3+30,39\left( a/c \right)^4
f_{II} \left( a/c \right)=\frac{1,122-0,561\left( a/c \right)+0,085\left( a/c \right)^2+0,180\left( a/c \right)^3}{\left[1-\left( a/c \right) \right]^{1/2} }

Anwendungsbeispiel für Faserverbundwerkstoffe

Von Jurf und Pipes [2] wurde für ein Epoxidharz/C-Faserverbund bruchmechanische Kennwerte bestimmt. Die Ergebnisse wurden in tabellarischer Form in [1] zusammengestellt.

Tabelle: Typische Arcan-Prüfkörperdaten für ein Epoxidharz/C-Faserverbund [1]
Prüfkörpernummer \alpha
(°)
Fmax
(kN)
KI
(MPam1/2)
KII
(MPam1/2)
GI
(N/mm)
GII
(N/mm)
1 (Mode II) 0 10,30 0 6,60 0 0,91
2 (Mode II) 0 10,90 0 6,80 0 0,98
3 (Mixed Mode) 45 0,97 0,99 0,45 0,084 0,004
4 (Mixed Mode) 45 1,30 1,31 0,59 0,15 0,007
5 (Mode I) 90 0,70 1,07 0 0,10 0
6 (Mode I) 90 0,68 1,01 0 0,09 0


Eine umfassende Literaturanalyse zu bruchmechanischen Kennwerten für Faserverstärkte Verbundwerkstoffe wurde von Lach in [3] zusammengestellt.

Literaturhinweise

[1] Carlsson, L. A., Pipes, R. B.: Hochleistungsverbundwerkstoffe. B. G. Teubner, Stuttgart (1989)
[2] Jurf, R. A. und Pipes, R. B.: Interlaminar Fracture of Composite Materials. Journal of Composite Materials 16 (1982) 386–394
[3] Lach, R., Grellmann, W.: Thermosets and High Performance Composites. In: Grellmann, W., Seidler, S.: Mechanical and Thermomechanical Properties of Polymers. Landolt-Börnstein. Volume VIII/6A3, Springer Verlag, Berlin (2014) S. 423-492, (ISBN 978-3-642-55165-9; siehe AMK-Büchersammlung unter A16)