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Thermoelastische Spannungsanalyse bei kurzfaserverstärkten Thermoplasten

Bei der Thermoelastischen Spannungsanalyse (TSA) werden zyklische Temperaturänderungen gemessen welche in Festkörpern bei zyklischer mechanischer Belastung auftreten. Die thermoelastische Temperaturänderung ist proportional zur im Werkstoff auftretenden Änderung der Summe der Hauptspannungen. TSA-Messsysteme liefern bei konstanter Absoluttemperatur ein der thermoelastischen Temperaturänderung proportionales thermoelastisches Signal. Bei sich ändernder Absoluttemperatur ändert sich das thermoelastische Signal nichtlinear mit der Temperatur, da die bei der TSA eingesetzten Infrarotsensoren eine nichtlineare Sensitivität mit der Absoluttemperatur besitzen. In dieser Arbeit wird eine Methode vorgestellt, wie durch eine direkte Kalibrierung des Absoluttemperatursignals der Einfluss der Temperatur auf das thermoelastische Signal korrigiert werden kann. Das korrigierte thermoelastische Signal ist proportional zur thermoelastischen Temperaturänderung.

Um aus einem gemessenen TSA-Signal Rückschlüsse auf die mechanische Belastung eines Werkstoffs ziehen zu können, muss das TSA-Signal kalibriert werden. Die in dieser Arbeit untersuchten kurzglasfaserverstärkten Thermoplaste haben herstellungsbedingt über ihren Querschnitt inhomogene mechanische und thermoelastische Eigenschaften. Berücksichtigt man die sich schichtweise ändernden Werkstoffeigenschaften so zeigt sich, dass eine dehnungsorientierte Betrachtung des thermoelastischen Effekts zur Kalibrierung des TSA-Signals zielführender ist als die gängige spannungsorientierte Darstellung. Bei der dehnungsorientierten Darstellung kann das gemessene thermoelastische Signal direkt der mit einem Referenzmesssystem gemessenen Summe der Hauptdehnungen zugeordnet werden.

Kurzglasfaserverstärkte Thermoplaste erwärmen sich bei zyklischer Belastung aufgrund der viskoelastischen Eigenschaften des Matrixwerkstoffs. In der vorliegenden Arbeit wird gezeigt, dass die Erhöhung der Absoluttemperatur sehr gut mit der gemessenen mechanischen Verlustarbeit korreliert, welche ein Maß für den Schädigungszustand des Werkstoffs sind. Abhängig von der Faserorientierung im Werkstoff steigt das TSA-Signal bei Laststeigerungsversuchen ab einer bestimmten Laststufe überproportional zur angelegten Last. Es wird gezeigt, dass dies auf die beginnende Zerrüttung des Werkstoffs zurückgeführt werden kann.

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 Andreas Klavzar

Andreas Klavzar
Lehrstuhl für Ressourcengerechte Produktentwicklung
Technische Universität Kaiserslautern

Informationen

Freie Schlagwörter: Thermoelastische Spannungsanalyse, optische Dehnungsmessung, kurzfaserverstärkte Thermoplaste, PA6 GF30, Kalibrierung, Temperaturmessung, Ermüdung
Institut / Lehrstuhl: Fachbereich für Maschinenbau und Verfahrenstechnik der Technischen Universität Kaiserslautern
Sprache: Deutsch
Fachgutachter: Prof. Dr.-Ing. Rainer Renz (Betreuer), Prof. Dr.-Ing. Martin Maier, Prof. Dr.-Ing. Jörg Seewig
Erscheinungsjahr: 2009
Anbieter: Wissenschaftlicher Arbeitskreis Kunststofftechnik (WAK) / Kunststoffe.de

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