Zeitschrift Kunststofftechnik Journal be^^ of Plastics Technology

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1 Zeitschrift Kunststofftechnik Journal be^^ of Plastics Technology eingereicht/handed in: angenommen/accepted: Dipl.-Ing. André Meichsner, Dipl.-Ing. Nikolai Voll, Prof. Dr.-Ing. Martin Maier Institut für Verbundwerkstoffe GmbH, Technische Universität Kaiserslautern Wissenschaftlicher Arbeitskreis der Universitäts- Professoren der Kunststofftechnik archivierte, peer-rezensierte Internetzeitschrift des Wissenschaftlichen Arbeitskreises Kunststofftechnik (WAK) archival, peer-reviewed online Journal of the Scientific Alliance of Polymer Technology Experimentelle und numerische Untersuchung des Deformations- und Bruchverhaltens von edelstahltextilverstärkten Kunststoffen und LFT-Werkstoffen An Zugbruchflächen von edelstahltextilverstärkten Kunststoffen und langglasfaserverstärkten Thermoplasten (LFT) wurden licht- und rasterelektronenmikroskopische Untersuchungen durchgeführt, um Einblick in die Morphologie und das Bruchverhalten der Werkstoffe zu erhalten. Die Untersuchungen zeigen, dass die verwendete Polypropylenmatrix (PP) und der Langglasfaserthermoplast (PP/GF40) im Gegensatz zur duktilen Edelstahltextilverstärkung ein ausgeprägtes Sprödbruchverhalten aufweisen und eine sehr geringe Anhaftung an der metallischen Verstärkungskomponente vorliegt. Ergänzend zu den experimentellen Untersuchungen wurde am Beispiel eines schweißgitterverstärkten PP- Werkstoffes das Schädigungs- und Bruchverhalten mittels mikromechanischer Finite-Elemente- Analysen simuliert. Experimental and Numerical Investigations of the Deformation and Fracture Behavior of High-Grade-Steel Textile Reinforced Polymers and LFRT-Materials The tensile fracture surfaces of high-grade steel textile reinforced polymers and composites had been inspected via SEM and light microscopy to gather information about the fracture behavior of these novel materials. In contrast to the ductile metal textile reinforcement, the polypropylene matrix (PP) and its long glass fiber reinforced version (LFRT) underwent brittle fracture. Poor bonding between steel and matrix polymer became evident. The damage processes and the fracture behavior of these novel composite materials have been studied and discussed. Furthermore, the fracture behavior of a spot-welded high-grade steel mesh reinforced PP was investigated by micromechanical finite element analysis. Carl Hanser Verlag Zeitschrift Kunststofftechnik / Journal of Plastics Technology 5 (2009) 1

2 Experimentelle und numerische Untersuchung des Deformations- und Bruchverhaltens von edelstahltextilverstärkten Kunststoffen und LFT- Werkstoffen A. Meichsner, N. Voll, M. Maier 1 EINLEITUNG Faser-Kunststoff-Verbunde (FKV) werden aufgrund ihres hohen Leichtbaupotentials in vielen Industriebereichen eingesetzt. Eine Verstärkung von polymeren Matrixsystemen mit Fasern führt zu einer signifikanten Verbesserung der mechanischen Eigenschaften. Positive Veränderungen des Eigenschaftsspektrums sind zum Beispiel deutliche Verbesserungen der Steifigkeiten und Festigkeiten. Negative Erscheinungen, die aus der Faserverstärkung resultieren können, sind eine geringere Bruchdehnung des Werkstoffes und ein spröderes Bruchverhalten bei Impakt- und Crashbelastung. Um diesen Nachteil auszugleichen, werden vermehrt Metall-Kunststoff-Verbunde entwickelt, bei denen die positiven Eigenschaften von Metallen und Faser-Kunststoff-Verbunden gezielt kombiniert werden, um weitere Eigenschaftsverbesserungen zu erzielen. Langfaserverstärkte Thermoplaste (LFT) haben sich aufgrund ihrer guten Leichtbaueigenschaften und großserientauglichen Verarbeitungsverfahren insbesondere in der Automobilindustrie bei semistrukturellen Anwendungen wie z.b. Unterböden, Frontends, Geräuschkapseln, Instrumententafelträgern usw. durchgesetzt [9]. Bei Impakt- und Crashbeanspruchung zeigen diese Werkstoffe ein sprödes Bruchverhalten, das Bauteil wird zu Bruchstücken fragmentiert und verliert seine strukturelle Integrität. Um eine Verbesserung der mechanischen Eigenschaften, insbesondere der Impakt- und Crasheigenschaften, von langglasfaserverstärkten Thermoplasten zu erreichen, wurden diese Werkstoffe zusätzlich mit Edelstahltextilien verstärkt. Erste Untersuchungen an diesen neuartigen Hybridwerkstoffen zeigten, dass mit diesen metallischen Verstärkungen das Impakt- und Crashverhalten von LFT-Werkstoffen wesentlich verbessert werden kann [1]. Zum besseren Verständnis des Deformations- und Bruchverhaltens von edelstahltextilverstärktem Polypropylen und langglasfaserverstärktem Polypropylen wurden ergänzend zu den experimentellen Untersuchungen mikromechanische Simulationen durchgeführt, und die numerisch erzielten Ergebnisse mit experimentellen Resultaten verglichen. Zeitschrift Kunststofftechnik 5 (2009) 1 49

3 2 STAND DER FORSCHUNG UND TECHNIK Für automobiltechnische Anwendungen in der Serienfertigung sind metalltextilverstärkte Kunststoffe und Verbundwerkstoffe noch unbedeutend. Im Rahmen von verschiedenen Forschungsvorhaben werden derzeit die Einsatzmöglichkeiten und Einsatzgrenzen von edelstahltextilverstärkten Kunststoffen und Verbundwerkstoffen untersucht. In [1] wird ein Fertigungsprozess für edelstahltextilverstärkte Thermoplaste und LFT-Werkstoffe vorgestellt. Erste orientierende Untersuchungen zeigten auf, dass mit der Edelstahltextilverstärkung die Impaktund Crasheigenschaften erheblich verbessert werden können. Im Rahmen eines Forschungsprojekts der Universität Gent wurde ein glasmattenverstärkter Thermoplast (GMT) zusätzlich mit Stahlcords verstärkt, um die Energieabsorption und die Strukturintegrität von crashbeanspruchten Bauteilen zu verbessern [2]. Weiterhin wird in [3] über die Edelstahlgewebeverstärkung von glasfaserverstärktem Polyphenylensulfid und glasfaserverstärkten Epoxidharzen berichtet. Erkendirci et al. berichten in [16] von stahlgewebeverstärkten Polyethylenverbundwerkstoffen deren Ermüdungs- und Bruchverhalten untersucht wurde. In [17] wird das Verhalten von faserverstärkten Polypropylen- Aluminium-Laminaten unter Zug- und Ermüdungsbeanspruchung dargestellt. In der Elektrotechnik werden Kunststoffgehäuse mit Metallfasern und -geweben zur Verbesserung der elektromagnetischen Abschirmung ausgerüstet [4, 7, 8]. Metallfasern werden auch zur Erhöhung des Reibverschleißwiderstands [5] und der thermischen und elektrischen Leitfähigkeit von Kunststoffen eingesetzt [6]. Weiterhin wird in [9] über die Verstärkung von LFT mit GF- und CF-Textilien berichtet. Derzeit ist der Kenntnisstand über das mechanische Verhalten von metalltextilverstärkten Kunststoffen und Verbundwerkstoffen noch sehr begrenzt. Deshalb werden ergänzend zu experimentellen Untersuchungen zunehmend numerische Simulationen auf unterschiedlichen Skalen eingesetzt, um werkstoffliches Verhalten vorhersagen zu können [10, 11]. 3 WERKSTOFFE, PROBENHERSTELLUNG UND EXPE- RIMENTELLES An der Institut für Verbundwerkstoffe GmbH, Kaiserslautern, wurden im Rahmen von Forschungsvorhaben edelstahltextilverstärkte Kunststoffe und LFT- Werkstoffe in einem zweistufigen Pressverfahren hergestellt und die mechanischen Eigenschaften experimentell und numerisch untersucht. Im ersten Verarbeitungsschritt wurden PP- und LFT-Platten (PP/GF 40) hergestellt und anschließend konfektioniert (s. Bild 2). Im zweiten Verarbeitungsschritt wurden die PP- bzw. LFT-Plattenelemente mit handelsüblichen technischen Edelstahltextilien (Firma Haver & Boecker Drahtweberei und Maschinenfabrik) zu einem Hyb- Zeitschrift Kunststofftechnik 5 (2009) 1 50

4 ridverbund verpresst. Der zweite Pressverarbeitungsschritt zur Herstellung dieser neuartigen Verbunde ist zum besseren Verständnis in Bild 1 dargestellt. Schichtaufbau, Stapelung (engl. Stacking) LFT-Schicht (engl. LFRT- Film) Schweißpunkt Längsstahldraht Bild 1: Pressen ESG-LFT-Verbund Querstahldraht Metallverstärkung X5CrNi1810- Edelstahl-Schweißgitter (ESG) Verbundherstellung im Film-Stacking-Verfahren Um eine fettfreie Drahtoberfläche und somit eine verbesserte Draht- /Matrixanbindung zu erzielen, wurden die Verstärkungstextilien bei 230 C 30 Minuten thermisch vorbehandelt. Das angewendete Fertigungsverfahren wird in [1] beschrieben. Bild 2 zeigt die untersuchten Werkstoffvarianten. Bild 2: Werkstoffvarianten Zeitschrift Kunststofftechnik 5 (2009) 1 51

5 Aus den hergestellten Verbundplatten und unverstärkten PP- und LFT-Platten wurden Zugprüfkörper entnommen, und einer Zugprüfung in Anlehnung an DIN EN ISO unterzogen (Prüfparameter s. Tabelle 1). Die Impaktprüfung wurde in Anlehnung an die DIN EN ISO 6603 (instrumentierter Durchstoßversuch) durchgeführt. Bild 3 zeigt das Funktionsprinzip. Weiterhin wurden Zugprüfungen an X5CrNi1810-Drähten mit verschiedenen Durchmessern in Anlehnung an die Norm DIN EN vorgenommen. Die mechanische Charakterisierung erfolgte ausschließlich bei Raumtemperatur. Prüfparameter Zwick 1474 Zwick 1485 Prüfkörperabmessungen; Flachzugprobe Länge x Breite [mm 2 ] 250 x x 25 Kraftaufnehmer [kn] Spannvorrichtung Pneumatisch Hydraulisch Spanndruck [bar] Vorkraft [N] Messlänge [mm] Einspannlänge [mm] (beidseitig) Messlänge der Makrowegaufnehmer [mm] Dehnungsbereich der E- Modul-Ermittlung [%] Deformationsgeschw. bei E-Modul Ermittlung [mm/min] Deformationsgeschw. nach E-Modul Ermittlung [mm/min] ,05 0,25 0,05 0, (PP-Werkstoffe); 7,5 (LFT-Werkstoffe) Tabelle 1: Prüfparameter im Zugversuch 15 (PP-Werkstoffe); 7,5 (LFT-Werkstoffe) Zeitschrift Kunststofftechnik 5 (2009) 1 52

6 Fallhöhe h Bild 3: absorbierte Impaktenergie Integration F(s)-Signal m Quadratprobe mit Einspannung (80 x 80 mm 2 ) Funktionsprinzip der Durchstoßprüfung Zusatzfeder (-energie) Impaktor (Halbkugel mit D=20 mm) mit Kraftsensor und Zusatzmasse m Des Weiteren wurden aus dem Bereich der Zugbruchfläche 5x5 mm 2 große Probekörper für die Rasterelektronen- und Lichtmikroskopie entnommen, präpariert und untersucht. Das Vorgehen bei der Probenextraktion und der Einsatz der Mikroskopieverfahren sind in Bild 4 dargestellt. Bild 4: Probenextraktion und Einsatz von Mikroskopieverfahren Zeitschrift Kunststofftechnik 5 (2009) 1 53

7 4 ERGEBNISSE UND DISKUSSION 4.1 Mechanische Eigenschaften und Bruchverhalten In Tabelle 2 sind die ermittelten Kennwerte und Kennwertbereiche der untersuchten Werkstoffe abgebildet. Werkstoff Zugfestigkeit (R m ) E-Modul Bruchdehnung (A 5 ) Absorbierte Impaktenergie X5CrNi MPa MPa % -/- PP 31,5 MPa 1585 MPa 5,1 % 1,7 J LFT 110 MPa 7167 MPa 1,9 % 10,3 J PP- Köpergewebe PP- Schweißgitter LFT- Köpergewebe LFT- Schweißgitter ,7 J 42 MPa 7409 MPa % 21,3 J 115 MPa 9075 MPa 2,0 % 28,5 J 108 MPa MPa 3,8 % 44,2 J Tabelle 2: Kennwerte (gemittelt) und Kennwertbereiche Für PP mit Köpergewebeverstärkung konnten keine quasistatischen Zugversuchskennwerte ermittelt werden, da aufgrund der Sprödigkeit des Polypropylens schon bei der spanenden Probenherstellung Delaminationen an den Probenrändern auftraten. Die Prüfergebnisse zeigen, dass mit den Metalltextilverstärkungen eine erhebliche Verbesserung der Energieaufnahme und der Zugsteifigkeit, im Vergleich zu den Ausgangsmatrixsystemen, erzielt werden kann. Die Zugfestigkeitswerte der edelstahltextilverstärkten Verbundwerkstoffe weisen eine ähnliche Größenordnung wie bei den unverstärkten Systemen auf. Dies ist auf die schlechte Metall- /Matrixanbindung zurückzuführen (s. Kapitel 4.2 und 4.3). Weiter ist festzustellen, dass die im Versuch gemessene Bruchdehnung (5,1 %) des Polypropylens im Vergleich zur Werksangabe (20 %) deutlich kleiner ist. Die untersuchten PP- Zeitschrift Kunststofftechnik 5 (2009) 1 54

8 Proben wurden nicht im Spritzgießverfahren hergestellt, sondern im Pressverfahren wie die LFT-Werkstoffe. Dadurch weist der untersuchte PP-Werkstoff eine höhere Kristallinität und größere Sphärolite auf (die übermolekularen Strukturen sind nicht vergleichbar), was zu einer erhöhten Sprödbruchneigung und zu einer verringerten Bruchdehnung führt. Weiterhin wurde deutlich, dass sich durch den Einsatz duktiler Edelstahltextilien das Bruchverhalten im Vergleich zu klassischen Faser-Kunststoff-Verbunden signifikant verändert [1]. Bild 5 zeigt typische Bruchbilder der untersuchten Werkstoffe. Bild 5: Typische Zugbruchbilder von edelstahltextilverstärktem PP und LFT Am Bruchbild der Schweißgitter-PP-Zugprobe (s. Bild 5) wird deutlich, dass die Neigung zur Fragmentierung unter Zugbeanspruchung spröder PP- Matrixwerkstoffe verringert werden konnte, d. h. sich bildende Matrixbruchstücke werden durch das Textil weiter fixiert. Zeitschrift Kunststofftechnik 5 (2009) 1 55

9 4.2 Lichtmikroskopische Untersuchungen Im Folgenden werden anhand von lichtmikroskopischen Aufnahmen das Deformations-, Bruchverhalten und die Morphologie von edelstahltextilverstärkten Kunststoffen und LFT-Werkstoffen untersucht und diskutiert. Bild 6 zeigt eine lichtmikroskopische Aufnahme der Bruchfläche eines edelstahlgewebeverstärkten LFT-Werkstoffes. Die ursprünglich in der Aufnahme weiß erscheinende Edelstahlgewebeverstärkung wurde aus Darstellungsgründen mittels Bildbearbeitungssoftware hellblau eingefärbt. In der lichtmikroskopischen Aufnahme ist das spröde Versagen der LFT-Matrix unter einachsiger Zugbelastung gut zu erkennen. Die Aufnahme zeigt, dass sich die Stahldrähte in Belastungsrichtung (x-richtung) durch die zunehmende Gewebestreckung von der Matrix ablösen und beim Bruch aus der Matrix herausgezogen werden. Dieses Verhalten, und die Tatsache dass kaum Matrixpartikel auf den Stahldrähten verbleiben, deutet auf eine schlechte Metall/Matrixanbindung hin. Bild 6: Lichtmikroskopische Aufnahme eines edelstahlgewebeverstärkten LFT-Werkstoffes bei 25-facher Vergrößerung Die Zugbeanspruchung führt bei steigender Belastung zu einer weiteren Verstreckung des Verstärkungstextils, das wiederum bedingt eine Vertikalverlagerung der Drähte in Schussrichtung und somit auch Spannungsspitzen in der Zeitschrift Kunststofftechnik 5 (2009) 1 56

10 Matrix im Bereich der Schussdrähte. Diese Spannungsspitzen initiieren letztendlich die Bildung von Rissen und den Bruch der Matrix. In Bild 7 ist eine Bruchfläche eines edelstahlschweißgitterverstärkten LFT- Werkstoffes dargestellt. Bild 7: Lichtmikroskopische Aufnahme eines edelstahlschweißgitterverstärkten LFT-Werkstoffes bei 25-facher Vergrößerung Das Bruchbild weist Analogien zu Bild 6 auf. So sind in dieser Aufnahme ebenfalls eine geringe Stahl/Matrixhaftung und ein sprödes Bruchverhalten des LFT- Werkstoffes erkennbar. Der Stahllängsdraht zeigt eine starke plastische Deformation und Einschnürung im Bereich der Bruchfläche. Matrixbruch der Zugproben mit Schweißgitterverstärkung erfolgt in den meisten Fällen an den Querdrähten aufgrund von sehr großen lokalen Dehnungsüberhöhungen und Kerbwirkung in diesen Bereichen. Zeitschrift Kunststofftechnik 5 (2009) 1 57

11 In Bild 8 ist eine Schliffaufnahme eines unbelasteten edelstahlschweißgitterverstärkten LFT-Werkstoffes dargerstellt. Bild 8: Aufnahme eines unbelasteten schweißgitterverstärkten LFT- Werkstoffes bei 50-facher Vergrößerung Im Wesentlichen wird deutlich, dass ohne Einwirkung von Belastung keine Delaminationen im Verbund auftreten. Weiterhin sind Faseranhäufungen im Bereich der Drahtkreuzungspunkte ersichtlich, welche aus der Verarbeitung im Pressverfahren resultieren (Filterwirkung der Verstärkung). Eine geringe Anzahl von Poren ist ebenfalls in Bild 8 ersichtlich. Diese werden durch die Luftaufnahme der LFT-Plattenelemente bei der Umluftofenerwärmung ohne Pressdruck bedingt. Zeitschrift Kunststofftechnik 5 (2009) 1 58

12 Bild 9 zeigt die Zugbruchflächenaufnahme eines edelstahlschweißgitterverstärkten Verbundes mit PP-Matrix. Bild 9: Lichtmikroskopische Aufnahme eines edelstahlschweißgitterverstärkten PP s bei 50-facher Vergrößerung Die Aufnahme verdeutlicht das Ausziehen und Ablösen der Edelstahlschweißgitterverstärkung (hellblau) infolge Zugbeanspruchung ohne erkennbare Matrixpartikelanhaftungen. Zur Herstellung des untersuchten Verbundwerkstoffes wurde ein hochfließfähiges und kurzkettiges PP-Homopolymer verwendet. Das Zeitschrift Kunststofftechnik 5 (2009) 1 59

13 PP zeigte im Zugversuch ein sprödes Bruchverhalten unter Splitterbildung. Diese Eigenschaft prägt demzufolge auch das Bruchverhalten im Verbund. 4.3 Rasterelektronenmikroskopische Untersuchungen In diesem Abschnitt wird eine Auswahl von fotografischen Aufnahmen, der mittels REM untersuchten Bruchflächenausschnitte von edelstahltextilverstärkten Kunststoffen und Verbundwerkstoffen, diskutiert. Bild 10 zeigt einen Ausschnitt der Zugbruchfläche eines edelstahlgewebeverstärkten LFT-Werkstoffes. Bild 10: REM-Aufnahme eines edelstahlgewebeverstärkten LFT-Werkstoffes bei 27-facher Vergrößerung Die Aufnahme zeigt die deutlich plastisch deformierten Stahldrähte in Beanspruchungsrichtung (Kettrichtung) des Gewebes, die zur Erhöhung der Energieaufnahme unter statischer Beanspruchung entscheidend beitragen. Weiterhin ist auch hier wieder die schlechte Stahl/Matrixanbindung und der Auszug von Drähten aus der Matrix deutlich zu erkennen. Zeitschrift Kunststofftechnik 5 (2009) 1 60

14 In Bild11 ist die Rasterelektronenmikroskopaufnahme eines edelstahlschweißgitterverstärkten LFT-Werkstoffes dargestellt. Bild 11: REM-Aufnahme eines edelstahlschweißgitterverstärkten LFT- Werkstoffes bei 20-facher Vergrößerung Deutlich ist im Bild ein gebrochener Stahllängsdraht zu erkennen, der im Bruchbereich eine starke Einschnürung aufweist. Ebenso deutlich ist der Abdruck eines Querdrahtes in der Bruchfläche zu erkennen. Das Bruchbild liefert auch hier den Beweis, dass keine bzw. nur eine sehr geringe Haftung zwischen Stahldraht und LFT-Matrix vorliegt. Zeitschrift Kunststofftechnik 5 (2009) 1 61

15 In Bild 12 wird ein Polypropylen mit Edelstahlschweißgitterverstärkung gezeigt. Bild 12: REM-Aufnahme eines edelstahlschweißgitterverstärkten PP s bei 20- facher Vergrößerung Das Bruchbild des Schweißgitter-PP s weist große Ähnlichkeit, zu dem im Bild 11 dargestellten Schweißgitter-LFT auf. Dies bedeutet im Wesentlichen, dass auch hier eine schlechte Metall/Matrixanbindung vorliegt, die Stahldrähte im Bruchbereich stark plastisch deformieren, und die Matrix ein ausgeprägtes Sprödbruchverhalten aufweist. Zeitschrift Kunststofftechnik 5 (2009) 1 62

16 5 MIKROMECHANISCHE MODELLIERUNG VON SCHWEISSGITTERVERSTÄRKTEM POLYPROPYLEN In diesem Kapitel werden erste Ansätze zur mikromechanischen Modellierung edelstahltextilverstärkter Verbunde vorgestellt. Die mikromechanische Modellierung und Simulation ist ein bewährtes Werkzeug zur Vorhersage von mechanischen Eigenschaften und des Schädigungsverhaltens komplexer Werkstoffe [12, 13]. Ausgehend vom real vorliegenden Werkstoff bzw. Prüfkörper wurde mittels eines CAD-Programmes ein parametrisches Mikromodell generiert. Solche Mikromodelle werden in der Regel aus einem oder mehreren repräsentativen Volumenelementen aufgebaut. In der Fachliteratur werden repräsentative Volumenelemente sinngemäß als kleinstmögliche Werkstoffvolumenelemente einer Makrostruktur verstanden, mit deren Hilfe es dennoch möglich ist, unter Nutzung vorhandener Symmetrien bzw. Periodizitäten, das makroskopische Verhalten abzubilden [14, 15]. Die Entwicklung eines Mikromodells, des im Kapitel 4 untersuchten Polypropylens mit Edelstahlschweißgitterverstärkung, ist in Bild 13 dargestellt. Bild 13: Entwicklung eines mikromechanischen Modells Weiterhin sind in Bild 13 die wesentlichen Last- (Deformationsrichtung) und Randbedingungen des Probekörpers und des Mikromodells (Einspannung und Symmetrien) dargestellt. Zeitschrift Kunststofftechnik 5 (2009) 1 63

17 Das Pre-, Postprocessing und die FE-Berechnung wurden mit dem Programmpaket ABAQUS durchgeführt. Hierzu wurde das CAD-Mikromodell mit einer Kantenlänge von 7x7x2,2 mm 3 in die CAE-Umgebung von ABAQUS importiert. Während des Preprocessings wurden auch die Materialkarten für die Edelstahltextilverstärkung und die PP-Matrix generiert. Die Materialeigenschaften der Komponenten wurden experimentell in Zugversuchen bestimmt. Die Berechnung der wahren Spannungen und Dehnungen erfolgte aus den im Experiment ermittelten technischen Spannungen und Dehnungen unter Verwendung folgender Gleichungen: ε = ln( 1+ ε ) Gl. (1) wahr technisch σ = σ 1+ ε ) Gl. (2) wahr technisch ( technisch Die so ermittelten wahren Spannungs-Dehnungs-Diagramme, der untersuchten Materialien, sind in Bild 14 und 15 dargestellt. Bild 14: Wahres Spannungs-Dehnungs-Diagramm von PP Das CAD-Modell wurde mit Tetraederelementen vernetzt und mit den entsprechenden Symmetrierandbedingungen (Bild 13) versehen. Als Verschiebungsrandbedingung wurde, die im Versuch ermittelte minimale Zugversagensdehnung von 4,5 % bei dem verwendeten PP, definiert. Zeitschrift Kunststofftechnik 5 (2009) 1 64

18 Bild 15: Wahres Spannungs-Dehnungs-Diagramm von X5CrNi1810 Weiterhin wurde im Modell keine Haftung von Metallverstärkung und Kunststoffmatrix zugrunde gelegt, d.h. mittels einer Kontaktbedingung (hard contact) wird eine Durchdringung verhindert, eine Relativbewegung zwischen Draht und angrenzender Matrix bleibt weiterhin möglich. Dieses Modell wird im späteren Verlauf der Forschungsarbeiten zur Vorhersage der minimal erreichbaren mechanischen Eigenschaften (E-Modul und Festigkeit) dienen. In Bild 16 sind, die in der FE-Berechnung ermittelten wahren Dehnungen in Belastungsrichtung, dargestellt. Die Darstellung der Dehnungen weist sehr große Maxima in der Matrix im Bereich der Stahlquerdrähte auf, d.h. die Matrix unterliegt hier lokal einer deutlich größeren Zugdehnung (im Mittel ca. 30%) als die aufgebrachte Dehnung (Verschiebungsrandbedingung). Dieser Umstand ist darauf zurückzuführen, dass aufgrund der geringen Matrixdicke im Bereich der Querdrähte, vorausgesetzter Volumenkonstanz und der wirkenden Zugbelastung ein erhöhtes Matrixfließen auftritt. Anhand der Dehnungsverteilung wird ersichtlich, dass ein Matrixversagen mit hoher Wahrscheinlichkeit nur im Bereich der Querdrähte auftreten wird. Dieses Simulationsergebnis deckt sich exakt mit den experimentellen Befunden (s. Bilder 9 und 12). Zeitschrift Kunststofftechnik 5 (2009) 1 65

19 Bild 16: Wahre Dehnung in Belastungsrichtung (x-richtung) In einem weiteren Schritt wurde ein mikromechanisches Modell eines schweißgitterverstärkten Verbundes mit Schädigung gerechnet, d.h. bei Erreichen der Bruchspannung bzw. -dehnung werden die betreffenden Elemente aus dem Modell gelöscht. Eine Abbildung des realen Schädigungs- und Bruchverhaltens wird somit möglich. Das Ergebnis der Simulation ist in Bild 17 dargestellt. Bild 17: Mikromechanische Simulation mit Schädigung und Bruch Zeitschrift Kunststofftechnik 5 (2009) 1 66

20 Das numerisch erzeugte Bruchbild zeigt große Ähnlichkeit mit den Bruchbildern der experimentellen Untersuchungen. 6 ZUSAMMENFASSUNG In der vorliegenden Arbeit wurde die Morphologie und speziell die Zugbruchflächenmorphologie edelstahltextilverstärkter Kunststoffe und Verbunde mittels Licht- und Rasterelektronenmikroskopie untersucht. Die Untersuchungen zeigten, dass keine oder nur eine sehr geringe Stahl/Matrix-Anbindung vorliegt, und die Glasfaser-/PP-Anhaftung bei den geprüften LFT-Verbunden ebenfalls nicht gut ist. Es wurde jedoch festgestellt, dass bei unbelasteten Proben keine Delaminationen zwischen Stahldraht und Matrix vorliegen. Weiterhin wurde das Sprödbruchverhalten der beiden verwendeten Matrixsysteme diskutiert. Dieses lässt sich mit der Kurzkettigkeit des verwendeten hochfließfähigen Polypropylens und der Verarbeitung im Pressverfahren begründen. Ferner ermöglichen die licht- und rasterelektronischenmikroskopischen Aufnahmen einen guten Einblick in das Schädigungsverhalten bei einachsiger Zugbelastung von edelstahltextilverstärkten Kunststoffen und Verbunden. Es wurde festgestellt, dass im Fall des köpergewebeverstärkten LFT-Werkstoffes die Zugbeanspruchung zu einer Verstreckung des Verstärkungstextils und somit zu einer Verlagerung der Schussdrähte in Dickenrichtung des Verbunds führt. Die Drahtverlagerung induziert Zug- bzw. Druckspannungen an der Drahtober- bzw. Drahtunterseite. Die entstehenden Spannungen erzeugen zuerst eine Mikro- und anschließend eine Makrorissbildung, was letztendlich zum Totalversagen des Prüfkörpers führt. Die schweißgitterverstärkten Verbunde hingegen zeigten bei uniaxialer Zugbeanspruchung Mikro- und letztendlich Makrorissbildung mit Totalversagen im Bereich der Querdrähte, welche durch die auftretende sehr große Dehnungsüberhöhung in diesem Bereich bedingt ist. Der Schädigungsmechanismus konnte mit Hilfe einer mikromechanischen Simulation identifiziert und nachgewiesen werden. Im Weiteren konnte anhand der licht- und elektronenrastermikroskopischen Aufnahmen das gute plastische Formänderungsvermögen der Edelstahldrähte aufgezeigt werden. 7 DANKSAGUNG Die Autoren bedanken sich bei der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) für die Förderung des Forschungsvorhabens im Rahmen des Graduiertenkollegs Ingenieurmaterialien auf verschiedenen Skalen: Experiment, Modellierung und Simulation. Zeitschrift Kunststofftechnik 5 (2009) 1 67

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23 Stichworte: Edelstahltextilverstärkte Kunststoffe und Verbundwerkstoffe, Deformations- und Bruchverhalten, Bruchflächenmorphologie, Morphologie, mikromechanische Modellierung, FEM, Simulation Keywords: High-grade steel textile reinforced polymers and composites, deformation and fracture behavior, fracture surface morphology, morphology, micromechanical modelling, FEA, simulation Autor/author: Dipl.-Ing. André Meichsner Dipl.-Ing. Nikolai Voll Prof. Dr.-Ing. Martin Maier Institut für Verbundwerkstoffe GmbH TU Kaiserslautern Erwin-Schrödinger-Strasse Kaiserslautern Herausgeber/Editor: Europa/Europe Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. Gottfried W. Ehrenstein, verantwortlich Lehrstuhl für Kunststofftechnik Universität Erlangen-Nürnberg Am Weichselgarten Erlangen Deutschland Phone: +49/(0)9131/ Fax.: +49/(0)9131/ Adresse: ehrenstein@lkt.uni-erlangen.de Verlag/Publisher: Carl-Hanser-Verlag Jürgen Harth Ltg. Online-Services & E-Commerce, Fachbuchanzeigen und Elektronische Lizenzen Kolbergerstrasse Muenchen Tel.: 089/ Fax: 089/ Adresse: harth@hanser.de -Adresse: Webseite: Tel.: +49(0)631/ Fax: +49(0)631/ Amerika/The Americas Prof. Prof. h.c Dr. Tim A. Osswald, responsible Polymer Engineering Center, Director University of Wisconsin-Madison 1513 University Avenue Madison, WI USA Phone: +1/ Fax.: +1/ Adresse: osswald@engr.wisc.edu Beirat/Editorial Board: Professoren des Wissenschaftlichen Arbeitskreises Kunststofftechnik/ Professors of the Scientific Alliance of Polymer Technology Zeitschrift Kunststofftechnik 5 (2009) 1 70