Quasistatic and dynamic properties of randomly oriented fibre and woven fabric reinforced polypropylene

In der vorliegenden Arbeit wurden das quasistatische und das Ermüdungsverhalten von wirrfaserverstärktem Thermoplast mit Endlosfasern (D-LFT) und von gewebeverstärktem Thermoplast untersucht. Hierbei wurden ortsaufgelöste Verfahren der Deformationsanalyse, schwerpunktsmäßig die Ortsaufgelöste Hysteresismessung und ergänzend die Thermoelastische Spannungsanalyse, eingesetzt. Zur genauen Erfassung des Zerrüttungsvorgangs war in einer vorangegangenen Arbeit die Messgenauigkeit der Hysteresismessung deutlich verbessert worden, und es konnte auf diese sehr wichtigen Vorleistungen zurückgegriffen werden. Zur Gefügeanalyse wurden Röntgengrobstrukturuntersuchungen, Ultraschall- und REM-Untersuchungen durchgeführt. Bei der Untersuchung der quasistatischen Eigenschaften von D-LFT gibt die ortsaufgelöste Dehnungsanalyse wichtige Hinweise zum Werkstoffverhalten. Das Versagen tritt an der Stelle mit dem geringsten E-Modul auf. Die Festigkeitswerte zeigen relativ starke Streuungen aufgrund der Inhomogenität des Gefüges. Bei lokal-dehnungsorientierter Betrachtung tritt eine wesentlich geringere Streuung der Kennwerte auf. Die Bruchdehnung liegt in Abhängigkeit von Fasergehalt und Entnahmerichtung im Mittel zwischen 2,2 und 2,8 %. Dieser Befund der geringen Streuung der lokalen Bruchdehnung ist trotz der deutlichen Unterschiede der Strukturparameter und unterschiedlichen Fasergehalte bemerkenswert. Dieses interessante Charakteristikum des Werkstoffs macht das robuste Verhalten bei mechanischer Belastung von D-LFT-Bauteilen verständlich. Die starken Schwankungen der Festigkeit wirken sich auch beim Ermüdungsverhalten aus. Nur durch geeignete Voruntersuchungen, die sich auf das dehnungsorientierte Materialverhalten stützten, konnte der Prüfaufwand in einem vertretbaren Rahmen gehalten werden. Die mechanisch-dynamischen Kennwerte zeigen bei Ermüdungsbelastung eine mäßige Dämpfungszunahme und eine geringe Steifigkeitsabnahme, verbunden mit einer starken Kriechneigung. Für die Analyse der beiden letzteren Effekte ist eine dehnungsorientierte Betrachtung hilfreich. Die Steifigkeitsabnahme wird durch die Kenngröße der Ausschlagsdehnung ersetzt und kann dann unmittelbar mit dem Kriechen, das durch die Mitteldehnung beschrieben wird, verglichen werden. Wie beim Zugversuch konnte auch beim Ermüdungsversuch eine dehnungsorientierte Analyse des Ermüdungsvorgangs durchgeführt werden. Diese führt zu einem Totaldehnungswöhlerdiagramm, in dem die Wöhlerlinien für Belastung senkrecht und quer zur Faserorientierung nahezu zusammenfallen. Es kann daher von einem maximalen Totaldehnungskriterium des Versagens ausgegangen werden. Der anisotrope, gewebeverstärkte Thermoplast wird statischen und dynamischen Zug- und Druckbelastungen unterworfen. Ergänzende Gefügeuntersuchungen ergeben leider keinen Zusammenhang zwischen der lokalen Kennwerteigenschaft und dem Gefügezustand, was auf den komplexen Aufbau (Wirrfasermittelschicht, beide Randschichten gewebeverstärkt) zurückzuführen ist. Die Werkstoffcharakterisierung an gewebeverstärktem Thermoplast wird bei zwei Chargen unter Zug-, und Druckschwellbelastung untersucht. Bei quasistatischer und dynamischer Belastung tritt das Versagen zumeist an der Stelle mit der geringsten lokalen Steifigkeit auf. Das mechanische Verhalten wird durch die anisotropen Eigenschaften stark bestimmt. Bei Zugschwellbelastung werden Kriechen und Steifigkeitsabnahme beobachtet, wobei bei senkrechter Belastung das Kriechen relativ stärker und die Steifigkeitsabnahme relativ schwächer ausfällt. Die Dämpfungszunahme bei der Ermüdungsbelastung ist z. T. intensiv. Insbesondere bei Charge 1 wird aufgrund von Haftungsschwächen bzw. Lunkern ein intensiver Dämpfungsanstieg mit der Lastspielzahl beobachtet. Bei Druckschwellbelastung sind Steifigkeitsabnahme und Kriechen geringer. Als Schadensphänomen wird vielfach ein spontanes Abscheren der Probe beobachtet. Ähnlich wie bei D-LFT führt eine totaldehnungsorientierte Betrachtung zu einem vergleichbaren Verlauf der Totaldehnungswöhlerdiagramme bei paralleler und senkrechter Belastung, während die Diagramme bei spannungsorientierter Betrachtung weit auseinander liegen. Das Verhalten von Ausschlags- und Mitteldehnung quantifiziert in Kenngrößen (mit gleichen physikalischen Einheiten) das Ermüdungsgeschehen hinsichtlich Steifigkeitsabnahme und Kriechen. Allerdings zeigt der Verlauf der Kenngrößen über der Lastspielzahl keine systematische Tendenz hinsichtlich des Einflusses der Spannungsamplitude, was auf Werkstoffinhomogenitäten zurückgeführt wird. Zur weiteren Auswertung wird daher eine Relativbetrachtung angestellt und hierfür der Wert von strain max / strain middle ermittelt. Durch diese Kennwertbildung wird die Streuung bezüglich des Spannungseinflusses deutlich reduziert, und es kann ein Tendenzverlauf der Messwerte in Abhängigkeit von der Spannungsamplitude angegeben werden.In present work two types of materials were investigated by means of static and fatigue tests: discontinuous reinforcement of long glass fibres (D-LFT) and woven fabric reinforced polypropylene with additional glass mat. The two types of material result in excellent qualities according to their stiffness, reinforcement and toughness. Long fibre reinforced thermoplastics, especially those produced by the Direct-LFT technology, are increasingly used in the automotive industries. An exact characterization of the mechanical material behavior was investigated using locally resolved techniques. Main focus was put on tension tests performed with the laser-extensometer and fatigue tests with an advanced technique, the locally resolved hysteresis measurement and additional thermoelastic stress analysis (TSA). An exact characterization of damage process was significantly improved by enhanced precision of hysteresis measurement. For a microstructur analysis were carried out X-Rays, ultrasound and scanning microscope tests. Static investigations of D-LFT material show a significant scatter of local mechanical properties within a test specimen. The failure appears in the area with the lowest Young-Modulus. Surprisingly the maximum strain at failure in the tension test of different test specimens this value shows a low scatter. It decreases slightly with fibre concentration, is slightly lower parallel to the main fibre orientation than perpendicular to it and the local strain at failure is between 2,2 and 2,8%. This outcome of the low spread of local strains at failure is remarkable, although the significant spread in other structural parameters as fibre orientation, wetting of fibres and inhomogeneties. This interesting characteristic of the material makes the robust behavior of material under mechanic load comprehensible. Severe variations of strength also effect fatigue tests. Mechanical dynamic properties during fatigue test show a high percentage change of damping, low investigation associated with a decrease of stiffness and a heavy incline of creep. For the analysis the two last effects of strain oriented observation are very helpful. The decrease of stiffness will be replaced by strain deflection and can be compared directly with creep (middle strain). During static tests as well as fatigue tests can carry out a strain oriented analysis of fatigue tests. It leads to max. strain Wöhler-diagram in which the Wöhler-lines for parallel and perpendicular fibre orientation almost collapse. The characterization of woven fabric reinforced thermoplast with additional glass mat was carried out for two charges in static and dynamic tension-tension and compression-compression tests. Static tension tests perpendicular to main fibre orientation show a lower quasistatic stiffness and strength than parallel to main fibre orientation. Still, the local strain at failure is approximately 2,5% perpendicular and 2,6% parallel to main fibre direction. The supplementary structure analysis does not yield any correlation between local mechanical properties and structure status. The failure appears mostly in the area of the lowest Young-Modulus. Mechanical properties are governed by anisotropic. During dynamic tension-tension tests a decrease of stiffness and creep was observed, whereas in perpendicular load creep direction is dominant with a lower decrease of stiffness. The increase of damping by fatigue is partially intensive. In particular for Charge 1 due to weak matrix-fibre adhesion an intensive increase of damping by load cycles was observed. At dynamic compression-compression tests decrease of stiffness and creep lower are. As a damage phenomenon frequently spontaneous shearing of specimen was observed. As for D-LFT, max strain oriented observations lead to comparable characteristic max. strain Wöhler-diagram for parallel and perpendicular load, whereas diagrams are located apart in stress oriented observations. The behavior of strain deflection and middle strain quantify fatigue events concerning decrease of stiffness and creep, alternative now, D-LFT and woven fabric reinforced thermoplast additionally depending on load direction can be observed. For woven fabric reinforced thermoplast in particular for the load in fibre direction a significant decrease of stiffness is remarkable, which can be assigned to break of fibre. The creep of woven fabric reinforced thermoplast is distinct, despite of discontinuous fibre reinforcement. For D-LFT material as a result it is shown that the creep dominates the degradation process and the increase of strain amplitude is less pronounced