Anwendung der Schallemissionsanalyse zur Charakterisierung der Schädigung in Verbundwerkstoffen mit duktiler Matrix

Abstract

Verbundwerkstoffe gewinnen aufgrund ihrer bei anderen Werkstoffklassen nicht erreichbaren Kombination von Eigenschaften zunehmend an Bedeutung. Grundlagen für ihre Optimierung sind die Kenntnis des Schädigungsablaufs und die Identifizierung der Schädigungsarten, die unter der jeweiligen Beanspruchung auftreten. Ziel der vorliegenden Arbeit war es, mit Hilfe der Schallemissionsanalyse die im Zug- und Druckversuch bei mit Teilchen, Kurzfasern oder Endlosfasern verstärkten Metallmatrix-Verbundwerkstoffen auftretenden Schädigungsprozesse zu charakterisieren sowie den Verlauf der Schädigung zu erfassen. Dabei wurde von allen Schallemissionssignalen jeweils die komplette Wellenform unter Verwendung eines breitbandigen Meßsystems aufgezeichnet. Um zu klären, wie die Wellenformen bei typischen Laborproben zustande kommen und wie sie auszuwerten sind, wurden zusätzlich Zugversuche an Einzelfaser-Modellproben mit Polycarbonatmatrix durchgeführt. Dabei konnte gezeigt werden, daß der Signalanfang die gesamte mögliche Information über die Signalquelle enthält. Bei den stabförmigen Zug- und Druckproben war aufgrund der komplexen Überlagerung der Einflüsse der Wellenausbreitung eine Charakterisierung der Signalquelle nur dann möglich, wenn der Sensor nahe beim Epizentrum oder im Epizentrum selbst angebracht war. Für diesen Spezialfall konnte durch Vorwärtsrechnungen gezeigt werden, daß trotz der kompakten Probengeometrie der Ansatz der Elastodynamik für den elastischen Halbraum verwendet werden darf. Je nach Werkstoff und Beanspruchungsart wurden in den Zug- und Druckversuchen sehr unterschiedliche Schädigungsverläufe beobachtet. Auf der Basis eines neu entwickelten halbquantitativen analytischen Modells war es möglich, ausgewählte Schädigungsverläufe zu erklären.

Composite materials gain more and more in significance due to their unique combination of properties. For the optimisation of composites it is important to know the course of damage and to identify the damage mechanisms that appear during the loading condition under consideration. The intention of this work was to characterise the damage mechanisms and to record the course of damage during tensile and compressive testing of aluminium matrix composites by means of acoustic emission analysis. The complete waveforms of all acoustic emission events have been recorded using a wide-band measurement system. In addition, tensile tests using single fibre polycarbonate matrix composite plates have been carried out to clarify the effects of both, acoustic emission source parameters, and wave propagation, on the formation of waveforms in typical laboratory specimens. From these tests it resulted that the beginning of the waveform contains all available information about the acoustic emission source. However, due to the complex interaction of the effects of wave propagation the characterization of the acoustic emission sources in the rod like tensile and compressive aluminium matrix composite specimens was only possible if at least one of the sensors was attached very close to the epicentre. For this special case it has been shown by forward modelling that the elastodynamic theory of the elastic half space can be applied although the specimens have a very compact geometry. Dependent on material and loading condition very different courses of damage have been observed in the tensile and compressive tests. Based on a new half-quantitative analytical model it was possible to explain selected courses of damage.