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A new approach is discussed for characterizing the damage state of FRP with the appearance of micro cracking and its influence on the residual strength. For the quantitative analysis of micro cracking, X-ray refraction topography was used. Fatigue treatment of carbon fibre reinforced plastics (CFRP) laminates were performed to create defined damage states. With regard to real loading conditions of CFRP, studies on tube samples were performed to investigate two dimensional (tensiontorsion) loads. A rheological material model was presented which described the increase of micro cracking in ±45° CFRP laminates with a continuum mechanical approach. The correlation between the results of the X-ray refraction topography, the damage parameter of the rheological model and the decrease of residual strength were shown. The inter fibre fracture surface of the investigated CFRP materials was determined with tensiontorsion loaded tube specimens of 90°-laminate and a layer-wise strength analysis was done. Micro cracking occurs even at 50% inter-fibre fracture loading and can lead to a distinct strength reduction. The intralaminar fatigue effect itself seems to be an indication for the damage accumulation and the load history.
Röntgen-Topographie mit Klein- und Weitwinkel-Streuung und Röntgenrefraktions-Computertomographie
(2003)
Für die zerstörungsfreie Charakterisierung nichtmetallischer Werkstoffe hat sich das Verfahren der Röntgen-Refraktions-Topographie bewährt. Es handelt sich phänomenologisch um eine Technik der Röntgen-Kleinwinkel-Streuung mit Probekörper-Abtastung bei fest vorgewähltem Streuwinkel. Durch röntgenoptische Brechungseffekte sind innere Ober- und Grenzflächen, insbesondere Mikrorisse, auch unterhalb der licht-mikroskopischen Erkennbarkeitsgrenze, detektierbar. Die Höhe des Streusignals ist dabei proportional zur Gesamt-Grenzfläche im Streuvolumen. So werden z.B. gleichzeitig zahlreiche Risse quanmtitativ detektierbar, ohne daß sie einzeln auf der Ortsskala separiert sind. Da es sich hierbei um eine Durchstrahlungs-Technik handelt, überlagern die Strukturen zu einer Projektion, die - analog zu den radiographischen Verfahren - über die Wanddicke gemittelte innere Oberflächen abbildet.
Am Beispiel typischer Hochleistungswerkstoffe, wie SiC-Keramik und C-Faser Komposite (CFK) wird der Informationsgehalt der Röntgen-Refraktions-Topogramme diskutiert. Die Ergebnisse der Keramik-Untersuchung zeigen die unterschiedliche Porengrößenverteilung verschiedener Sinterstufen sowohl ortsaufgelöst als auch statistisch. Die Topogramme der CFK-Probekörper zeigen eine inhomogene Ortsverteilung der Rißdichte nach unterschiedlichen dynamischen Belastungen. Es ergibt sich eine hervorragende Korrelation der Rißdichte mit der Restfestigkeit. Die dargestellten Ergebnisse visualisieren die Anordnung von Grenzflächen und inneren Oberflächen, die sich für zahlreiche Hochleistungs-Werkstoffe, vor allem im Transportmittel-Leichtbau, als relevante Mikrostrukturen für das Versagens-Verhalten und die Werkstoff-Optimierung erweisen.
The effect of X-ray refraction employs an unconventional small angle X-ray scattering (SAXS) technique which has been developed and applied to meet actual problems for improved non-destructive characterisation of advanced materials. The X-ray refraction technique makes use of X-ray optical effects at micro interfaces of composite materials. This method reveals the inner surface and interface concentrations in nanometer dimensions due to the short X-ray wavelength near 10-4 µm. Sub-micron crack and pore sizes are easily determined by X-ray refractometry without destroying the structure by cutting or polishing for microscopic techniques. The non-destructive characterisation of microfailure e.g. voids, fibre debonding, fibre cracks and microcracks of a short glass fibre reinforced polyoximethylene (POM-GF) after mechanical loading and accelerated ageing is investigated. X-ray refraction topographs are illustrated, showing the damage accumulation of POM-GF specimens after the fatigue test.