ASTM D7136/D7136M-12 Standardprüfverfahren zur Messung der Schadensresistenz von faserverstärkten Polymermatrix-Verbundwerkstoffen gegenüber fallenden Gewichten

Der von der American Society for Testing and Materials (ASTM) veröffentlichte Standard „ASTM D7136/D7136M-12 Standardprüfverfahren zur Messung der Schadensresistenz von faserverstärkten Polymermatrix-Verbundwerkstoffen gegenüber einem Aufprall durch fallendes Gewicht“ beschreibt ein Prüfverfahren zur Bestimmung der Schadensresistenz von multidirektionalen Polymermatrix-Verbundlaminaten, die einem Aufprall durch fallendes Gewicht ausgesetzt sind. Die Formen von Verbundwerkstoffen sind auf Verbundwerkstoffe mit einer komprimierten Polymermatrix aus Endlosfasern beschränkt, wobei in dieser Norm eine Reihe von zulässigen Testlaminaten und Dicken definiert sind. Anweisungen zum Ändern dieser Verfahren zur Bestimmung der Schadensresistenzeigenschaften von Sandwichstrukturen sind in ASTM D7766/D7766M enthalten.

Eine flache, rechteckige Verbundplatte wird mithilfe eines Fallgewichtsgeräts mit halbkugelförmigem Impaktor einem intensiven Aufprall außerhalb der Ebene ausgesetzt. Die potentielle Energie des Aufprallgewichts, die durch die Masse des Aufprallkörpers und die Fallhöhe definiert ist, wird vor der Prüfung festgelegt. Zur optionalen Messung der Kontaktkraft und Geschwindigkeit während des Aufpralls stehen Geräte und Verfahren zur Verfügung. Die Schadensresistenz wird quantitativ anhand des Ausmaßes und der Art des Schadens bestimmt, der in der Probe auftritt.

Mit dieser Testmethode können Materialien auf ihre Schadensresistenz geprüft oder eine Probe für einen anschließenden Schadenstoleranztest beschädigt werden. Wenn die Aufprallplatte gemäß der Standardprüfmethode ASTM D7137/D7137M geprüft wird, wird die allgemeine Prüfreihenfolge üblicherweise als Post-Impact-Kompressionsmethode bezeichnet. Als alternative Methode zur Schadensverursachung durch eine Kraft außerhalb der Ebene und zur Messung der Schadensresistenzeigenschaften kann die quasistatische Eindrückung gemäß der Standardprüfmethode ASTM D6264/D6264M verwendet werden.

Die mit dieser Prüfmethode ermittelten Schadensresistenzeigenschaften hängen stark von verschiedenen Faktoren ab, wie etwa Probengeometrie, Schichtung, Aufprallgeometrie, Aufprallmasse, Aufprallkraft, Aufprallenergie und Randbedingungen. Daher sind die Ergebnisse im Allgemeinen nicht auf andere Konfigurationen skalierbar und hängen von der Kombination der getesteten geometrischen und physikalischen Bedingungen ab.

Für die Zwecke dieser Norm gelten die folgenden Begriffe und Definitionen:

• Mit der Kerbtiefe ist die verbleibende Tiefe der Vertiefung gemeint, die durch einen Aufprallkörper nach dem Aufprall entsteht. Die Kerbtiefe ist als der maximale Abstand in einer Richtung senkrecht zur Oberfläche der Probe vom tiefsten Punkt der Kerbe bis zur Ebene der Schlagfläche zu definieren, der nicht durch die Kerbe gestört wird.
• Der Nominalwert ist ein einer messbaren Eigenschaft zum Zweck der einfachen Identifizierung zugewiesener Wert, der nur dem Namen nach existiert. Auf einen Nennwert können Toleranzen angewendet werden, um einen akzeptablen Bereich für das Merkmal zu definieren.
• Das übergeordnete Materialkoordinatensystem ist ein Koordinatensystem, dessen Achsen senkrecht zu den materialspezifischen Symmetrieebenen stehen.
• Die aufgezeichnete Kontaktkraft ist die Kraft, die während des Aufpralls vom Stoßkörper auf die Probe ausgeübt wird und von einem Kraftmesser aufgezeichnet wird.
• Das Referenzkoordinatensystem ist ein Koordinatensystem für laminierte Verbundwerkstoffe, das zur Definition der Schichtausrichtungen verwendet wird.
• Die Schlagspitze ist der Teil oder die Komponente eines Schlagwerkzeugs, der beim Aufprall zuerst mit der Testprobe in Kontakt kommt.

Ein Fallgewichts-Aufpralltest wird mit einer ausgewogenen, symmetrischen Laminatplatte durchgeführt. Der Schaden wird durch einen konzentrierten Aufprall außerhalb der Ebene (senkrecht zur Ebene des Laminats) mithilfe eines Fallgewichts mit halbkugelförmiger Spitze verursacht. Die Schadensresistenz wird quantitativ anhand des Ausmaßes und der Art der in der Probe auftretenden Schäden bestimmt. Die Schadensreaktion ist eine Funktion der Testkonfiguration. Vergleiche zwischen Materialien sind nur möglich, wenn dieselben Testkonfigurationen, Testbedingungen und ähnliche Bedingungen verwendet werden.

Optionale Verfahren zum Aufzeichnen der Aufprallgeschwindigkeit und der aufgebrachten Kontaktkraft im Vergleich zu den Zeitverlaufsdaten stehen zur Verfügung. Die bevorzugten Schadenszustände, die sich aus dem Aufprall ergeben, liegen in der Mitte der Platte, weit genug von den Plattenrändern entfernt, sodass die lokalen Spannungszustände an den Rändern und an der Aufprallstelle während des Schadenserzeugungsereignisses nicht interagieren.

Die Anfälligkeit für Schäden durch konzentrierte Aufprallkräfte außerhalb der Ebene ist eines der Hauptprobleme bei der Konstruktion vieler Strukturen aus modernen Verbundlaminaten. Die Kenntnis der Schadensresistenzeigenschaften einer laminierten Verbundplatte ist für die Produktentwicklung und Materialauswahl hilfreich.

Fallgewichtsschlagprüfungen können folgenden Zwecken dienen:

• Ziel ist es, die Auswirkungen der Stapelreihenfolge, der Faseroberflächenbehandlung, der Änderungen des Faservolumenanteils sowie der Verarbeitungs- und Umgebungsvariablen auf die Schadensresistenz eines bestimmten Verbundlaminats gegenüber der Aufprallkraft oder Energie eines konzentrierten Fallgewichts zu quantifizieren.
• Um die relativen Werte der Schadensresistenzparameter für Verbundwerkstoffe mit unterschiedlichen Komponenten quantitativ zu vergleichen. Zu den Parametern der Schadensreaktion können Quetschtiefe, Schadensausmaße und -durchdringung sowie Kraft-Zeit-Kurve gehören.
• Um eine Probe für nachfolgende Schadenstoleranztests zu beschädigen (z. B. Standardtestmethode ASTM D7137/D7137M).

Die mit dieser Prüfmethode ermittelten Eigenschaften können Aufschluss über die zu erwartende Schadensresistenz geben.

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