DIN EN 15335-2007 Advanced technical ceramics - Ceramic composites - Determination of elastic properties by resonant beam method up to 2000 C English version of DIN EN 15335 2007-0.pdf

1、August 2007DEUTSCHE NORM Normenausschuss Materialprfung (NMP) im DINPreisgruppe 14DIN Deutsches Institut fr Normung e.V. Jede Art der Vervielfltigung, auch auszugsweise, nur mit Genehmigung des DIN Deutsches Institut fr Normung e.V., Berlin, gestattet.ICS 81.060.30!,vR“9832947www.din.deDDIN EN 15335

2、Hochleistungskeramik Keramische Verbundwerkstoffe Bestimmung der elastischen Eigenschaften bei Verwendung desResonanz-Verfahrens bis 2 000 C;Deutsche Fassung EN 15335:2007Advanced technical ceramics Ceramic composites Determination of elastic properties by resonant beam method up to 2 000 C;German v

3、ersion EN 15335:2007Cramiques techniques avances Cramiques composites Dtermination des proprits lastiques par une mthode de rsonance sur poutres,jusqu 2 000 C;Version allemande EN 15335:2007Alleinverkauf der Normen durch Beuth Verlag GmbH, 10772 Berlin www.beuth.deGesamtumfang 32 SeitenDIN EN 15335:

4、2007-08 2 Nationales Vorwort Dieses Dokument (EN 15335:2007) wurde vom SC 1 Hochleistungskeramik-Verbundwerkstoffe“ des Technischen Komitees CEN/TC 184 Hochleistungskeramik“ (Sekretariat: BSI, Vereinigtes Knigreich) erarbeitet. Zu EN 15335 gibt es kein Arbeitsgremium im DIN, da seitens der deutschen

5、 Fachffentlichkeit kein Interesse an diesem Normungsthema bekundet wurde. Fr die im Inhalt zitierten Internationalen Normen wird im Folgenden auf die entsprechenden Deutschen Normen hingewiesen: ISO 3611 siehe DIN 863-1 ISO 6906 siehe DIN 862 Nationaler Anhang NA (informativ) Literaturhinweise DIN 8

6、63-1, Prfen geometrischer Gren Meschrauben Teil 1: Bgelmeschrauben, Normalausfh-rung; Begriffe, Anforderungen, Prfung DIN 862, Meschieber Anforderungen, Prfung EUROPISCHE NORM EUROPEAN STANDARD NORME EUROPENNE EN 15335 Mai 2007 ICS 81.060.30 Deutsche Fassung Hochleistungskeramik Keramische Verbundwe

7、rkstoffe Bestimmung der elastischen Eigenschaften bei Verwendung des Resonanz-Verfahrens bis 2 000 C Advanced technical ceramics Ceramic composites Determination of elastic properties by resonant beam method up to 2 000 C Cramiques techniques avances Cramiques composites Dtermination des proprits la

8、stiques par une mthode de rsonance sur poutres, jusqu 2 000 C Diese Europische Norm wurde vom CEN am 26. April 2007 angenommen. Die CEN-Mitglieder sind gehalten, die CEN/CENELEC-Geschftsordnung zu erfllen, in der die Bedingungen festgelegt sind, unter denendieser Europischen Norm ohne jede nderung d

9、er Status einer nationalen Norm zu geben ist. Auf dem letzten Stand befindliche Listen dieser nationalen Normen mit ihren bibliographischen Angaben sind beim Management-Zentrum des CEN oder bei jedem CEN-Mitglied auf Anfrage erhltlich. Diese Europische Norm besteht in drei offiziellen Fassungen (Deu

10、tsch, Englisch, Franzsisch). Eine Fassung in einer anderen Sprache,die von einem CEN-Mitglied in eigener Verantwortung durch bersetzung in seine Landessprache gemacht und dem Management-Zentrum mitgeteilt worden ist, hat den gleichen Status wie die offiziellen Fassungen. CEN-Mitglieder sind die nati

11、onalen Normungsinstitute von Belgien, Bulgarien, Dnemark, Deutschland, Estland, Finnland, Frankreich,Griechenland, Irland, Island, Italien, Lettland, Litauen, Luxemburg, Malta, den Niederlanden, Norwegen, sterreich, Polen, Portugal,Rumnien, Schweden, der Schweiz, der Slowakei, Slowenien, Spanien, de

12、r Tschechischen Republik, Ungarn, dem Vereinigten Knigreichund Zypern. EUROPISCHES KOMITEE FR NORMUNG EUROPEAN COMMITTEE FOR STANDARDIZATION COMIT EUROPEN DE NORMALISATIONManagement-Zentrum: rue de Stassart, 36 B-1050 Brssel 2007 CEN Alle Rechte der Verwertung, gleich in welcher Form und in welchem

13、Verfahren, sind weltweit den nationalen Mitgliedern von CEN vorbehalten.Ref. Nr. EN 15335:2007 DEN 15335:2007 (D) 2 Inhalt Seite Vorwort 3 1 Anwendungsbereich .4 2 Normative Verweisungen4 3 Begriffe .4 4 Kurzbeschreibung des Verfahrens 5 5 Bedeutung und Anwendung.5 6 Prfgert .6 6.1 Vakuumbehlter.6 6

14、.2 Messwandler 7 6.3 Schlaufen aus gebndelten Kohlenstoff-Fasern7 6.4 Pumpeneinheit .8 6.5 Steuer- und Auswertungseinheiten .8 6.6 Waage .8 6.7 Mikrometer8 6.8 Dickenmesser.8 7 Probekrper9 7.1 Allgemeines9 7.2 Form und Mae 9 7.3 Planparallelitt .10 7.4 Anzahl der Probekrper 10 8 Prfverfahren .10 8.1

15、 Vorbereitung der Probekrper .10 8.2 Einstellen des Prfgerts10 8.3 Messungen bei Raumtemperatur.11 8.4 Messungen bei hohen Temperaturen11 9 Berechnung der Ergebnisse.12 9.1 Grundkonzept.12 9.2 Berechnung der Eigenfrequenzen .12 9.3 Identifikation, Zuordnung und Anpassung .18 9.4 Die beiden Auswertun

16、gsstufen20 10 Genauigkeit des Verfahrens und Fehler21 11 Prfbericht22 Anhang A (informativ) Beispiel .23 A.1 Allgemeines23 A.2 Messungen .24 A.3 Erste Auswertungsstufe .26 A.4 Zweite Auswertungsstufe .27 A.5 Ergebnisse28 Literaturhinweise 29 EN 15335:2007 (D) 3 Vorwort Dieses Dokument (EN 15335:2007

17、) wurde vom Technischen Komitee CEN/TC 184 Hochleistungskeramik“ erarbeitet, dessen Sekretariat vom BSI gehalten wird. Diese Europische Norm muss den Status einer nationalen Norm erhalten, entweder durch Verffentlichung eines identischen Textes oder durch Anerkennung bis November 2007, und etwaige e

18、ntgegenstehende nationale Normen mssen bis November 2007 zurckgezogen werden. Entsprechend der CEN/CENELEC-Geschftsordnung sind die nationalen Normungsinstitute der folgenden Lnder gehalten, diese Technische Spezifikation anzukndigen: Belgien, Bulgarien, Dnemark, Deutschland, Estland, Finnland, Fran

19、kreich, Griechenland, Irland, Island, Italien, Lettland, Litauen, Luxemburg, Malta, Niederlande, Norwegen, sterreich, Polen, Portugal, Rumnien, Schweden, Schweiz, Slowakei, Slowenien, Spanien, Tschechische Republik, Ungarn, Vereinigtes Knigreich und Zypern. EN 15335:2007 (D) 4 1 Anwendungsbereich Di

20、ese Europische Norm legt das Resonanz-Verfahren fr die Bestimmung der dynamischen Elastizitts-moduln von faserverstrkten Verbundwerkstoffen mit keramischer Matrix von 20 C bis 2 000 C im Vakuum oder in inerter Atmosphre fest. Die Elastizittsmoduln und die Schermoduln knnen fr verschiedene Orientieru

21、ngen in Bezug auf die Hauptsymmetrieachsen des Verbundwerkstoffes ermittelt werden. Dieses Dokument gilt fr faserverstrkte Verbundwerkstoffe mit keramischer Matrix: Kurzfasern, unidirektional (1D), bidirektional (2D) und mehrdirektional (xD, bei 2 x 3) und mit mindestens orthotroper Symmetrie. ANMER

22、KUNG 1 Dynamisch bedeutet, dass die Elastizittsmoduln nicht quasistatisch, d. h. unter adiabatischen Bedingungen wie z. B. mit dem Ultraschall-Verfahren nach ENV 14186, ermittelt werden. Die nach diesem Verfahren ermittelten Elastizittsmoduln drfen nicht mit den unter isothermen Bedingungen durch st

23、atische oder quasistatische Beanspruchung, beispielsweise nach EN 658-1, EN 658-2, EN 1892, EN 1893, EN 12290 und EN 12291, ermittelten Moduln verglichen werden. ANMERKUNG 2 Die oben angefhrten faserverstrkten Verbundwerkstoffe mit keramischer Matrix werden im vorliegenden Dokument als Verbundwerkst

24、offe“ bezeichnet. 2 Normative Verweisungen Die folgenden zitierten Dokumente sind fr die Anwendung dieses Dokuments erforderlich. Bei datierten Verweisungen gilt nur die in Bezug genommene Ausgabe. Bei undatierten Verweisungen gilt die letzte Ausgabe des in Bezug genommenen Dokuments (einschlielich

25、aller nderungen). EN 60584-1, Thermopaare Teil 1: Grundwerte der Thermospannungen (IEC 60584-1:1995) EN 60584-2, Thermopaare Teil 2: Grenzabweichungen der Thermospannungen (IEC 60584-2:1982 + A1:1989) EN ISO/IEC 17025, Allgemeine Anforderungen an die Kompetenz von Prf- und Kalibrierlaboratorien (ISO

26、/IEC 17025:2005) ISO 3599, Vernier callipers reading to 0,1 and 0,05 mm ISO 3611, Micrometer callipers for external measurements 3 Begriffe Fr die Anwendung dieses Dokuments gelten die folgenden Begriffe. 3.1 Elastizittsmodul Young-Modul E in einem Werkstoff erforderliche Spannung, um eine einheitli

27、che Formnderung in Form einachsiger Ausdehnung oder Kompression zu erzeugen 3.2 Schermodul G in einem Werkstoff erforderliche Scherspannung, um eine einheitliche Winkelverzerrung zu erzeugen EN 15335:2007 (D) 5 3.3 Poissonzahl v Verhltnis der Querbeanspruchung zur entsprechenden axialen Beanspruchun

28、g ANMERKUNG E11, E22und E33entsprechen den Elastizittsmoduln in den Richtungen 1, 2 und 3; G12, G13und G23entsprechen den Schermoduln in den entsprechenden Ebenen; und v12, v13und v23entsprechen den betreffenden Poissonzahlen. 4 Kurzbeschreibung des Verfahrens Der Probekrper in Form eines langen, dn

29、nen prismatischen Stabes (Verhltnis von Lnge zu Breite oder von Lnge zu Hhe grer als 10) wird entlang einer bestimmten Orientierung von Interesse aus dem Verbundwerkstoff entnommen und zu Biegeschwingungen angeregt. Die mechanische Anregung bei stufenlos einstellbaren Frequenzen wird von einem Messw

30、andler erzeugt, der periodisch auftretende elektrische Signale in periodisch auftretende, auf den Probekrper wirkende, mechanische Krfte umwandelt. Ein zweiter Messwandler misst die dadurch hervorgerufenen mechanischen Schwingungen des Probekrpers und wandelt diese in elektrische Signale um. Das dar

31、aus resultierende Spektrum (Amplitude als Funktion der Frequenz) bis zu den Frequenzen, die den sechsten Schwingungsmodus des Probekrpers einschlieen, wird in einem Spektrum-Analysator aufgezeichnet und gespeichert. Aus den Resonanzfrequenzen, d. h. den Spektrumsspitzen (Grundschwingung und Oberschw

32、ingungen bis zum sechsten Schwingungsmodus), den Maen und der Dichte des Probekrpers knnen die Elastizittsmoduln durch das numerische Lsen der Timoschenko-Gleichung berechnet werden. Fr einen Probekrper knnen der Elastizittsmodul und zwei Schermoduln rechtwinklig zueinander ermittelt werden. ANMERKU

33、NG Bei Bercksichtigung der Anisotropie, einer spezifischen Eigenschaft von Verbundwerkstoffen, kann das elastische Verhalten nur durch den Elastizittstensor mit einer bestimmen Anzahl von unabhngigen Koeffizienten vollstndig beschrieben werden, wobei diese Anzahl von der kristallographischen Symmetr

34、ie des Verbundwerkstoffes abhngig ist (ein Verfahren zur Bestimmung des Elastizittstensors fr Verbundwerkstoffe ist in ENV 14186 enthalten). Aus diesen Koeffizienten knnen die Elastizittsmoduln (Elastizittsmoduln, Schermoduln und Poissonzahlen) berechnet werden. 5 Bedeutung und Anwendung Das Resonan

35、z-Verfahren wird hufig fr die Bestimmung der dynamischen Elastizittsmoduln in der Normung angewendet z. B. EN 843-2, CEN/TS 820-5, ISO 17561, ASTM C 848-88, ASTM C 623-92 (2005). Die Gemeinsamkeit all dieser Anwendungen besteht darin, dass die Scherwirkung, die mit steigendem Schwingungsmodus zunimm

36、t, ausgeschlossen ist. Fr die Berechnung der Ergebnisse wird eine nur fr den Grundschwingungsmodus geltende Formel auf der Grundlage der Euler-Bernoulli-Beziehung angewendet und mit den Korrekturfaktoren fr hhere Schwingungsmodi kombiniert (im Allgemeinen wird nur der erste Schwingungsmodus, d. h. d

37、ie erste Oberschwingung, zustzlich zum Grundschwingungsmodus betrachtet). Die Schermoduln werden getrennt von den Torsionsschwingungen bestimmt. Das in diesem Dokument festgelegte Verfahren kehrt das Problem um. Die hheren Schwingungsmodi werden bercksichtigt (bis zum sechsten Schwingungsmodus) und

38、dadurch wird Scherverformung fr die Bestimmung der Schermoduln mittels Biegeschwingungen hervorgerufen. In diesem Dokument wird eine aus der Timoschenko-Gleichung abgeleitete Gleichung fr die Bestimmung der Moduln verwendet, die die Scherung bercksichtigt. Mit dem in diesem Dokument festgelegten Res

39、onanz-Verfahren werden die Elastizittsmoduln prinzipiell fr einen Probekrper bestimmt. Es werden ein Elastizittsmodul und zwei Schermoduln rechtwinklig zueinander ermittelt. Der Elastizittsmodul ist der Lngsmodul in Lngsrichtung des prismatischen Probekrpers, whrend die Schermoduln den Moduln entlan

40、g der Breite und der Dicke des Probekrpers entsprechen (aus diesen Moduln knnen die Poissonzahlen berechnet werden). Daher ist es wichtig zu beachten, in welcher Richtung der prismatische Probekrper hinsichtlich der kristallographischen Symmetrie aus dem Verbundwerkstoff entnommen wird. EN 15335:200

41、7 (D) 6 Aus einem 2,5D- oder einem 3D-Verbundwerkstoff (mit orthotroper Symmetrie) knnen Probekrper beispielsweise rechtwinklig zueinander in den Verstrkungsrichtungen 1, 2 oder 3 entnommen werden, sodass die Elastizittsmoduln E11, E22und E33sowie die Schermoduln G12, G13und G23bestimmt werden knnen

42、. Das in diesem Dokument festgelegte Verfahren erzeugt fr einen aus einer Platte eines 2D-Verbund-werkstoffes (mit quadratischer oder tetragonaler Symmetrie) in Richtung der Faserverstrkung, Richtung 1, entnommenen Probekrper den Lngsmodul E11, den Schichtverbund-Schermodul G13und den Innerschicht-S

43、chermodul G12. Fr eine derartige Platte knnte darber hinaus der Modul E22fr einen Probekrper bestimmt werden, der in Richtung 2 entnommen wurde, jedoch weder E33in Richtung der Dicke der Platte, noch der Schermodul G23. Im Gegensatz zu mechanischen Prfverfahren beruht das hier festgelegte Resonanz-V

44、erfahren zur Bestimmung der elastischen Eigenschaften nicht auf der Auswertung des Spannungs-Dehnungs-Verhaltens ber einen vorgegebenen, unter quasistatischen Beanspruchungsbedingungen ermittelten Verformungs-bereich, sondern auf einer zerstrungsfreien dynamischen Messung von Schwingungen bei sehr g

45、eringen Amplituden. Daher sind die nach den beiden erwhnten Arten von Verfahren ermittelten Werte fr Elastizittsmodul, Schermodul und Poissonzahl nicht miteinander vergleichbar, insbesondere bei Verbundwerkstoffen mit keramischer Matrix, die ein nicht lineares Spannungs-Dehnungs-Verhalten aufweisen

46、knnen. 6 Prfgert 6.1 Vakuumbehlter Der prismatische Probekrper wird in einer Vakuumkammer mittels Schlaufen aus gebndelten Kohlenstoff-Fasern (jeweils einige hundert Fasern) aufgehngt und ber eine dieser Schlaufen zu Biegeschwingungen angeregt. Der Probekrper hngt in ein Heizelement hinein (dieses s

47、ollte wahlweise teilweise entfernbar sein, wenn der Probekrper bei Raumtemperatur justiert wird). Das charakteristische Spektrum der Biegeschwingungen wird ber die andere Schlaufe fr die interessierenden Temperaturen aufgezeichnet. Siehe ein Beispiel eines Vakuumbehlters in Bild 1. EN 15335:2007 (D)

48、 7 Legende a Steuer- und Auswertungseinheit b Netzwerkanalysator c Temperatursteuerung d Pyrometer e Thermopaar f Vakuumbehlter g Pumpeneinheit h Messwandler in einem wassergekhlten Gehuse: der Sender i Messwandler in einem wassergekhlten Gehuse: der Empfnger j Isolationsfilz k prismatischer Probekr

49、per l Heizelement m Schlaufen aus Kohlenstoff-Fasern ANMERKUNG Der prismatische Probekrper wird zu Biegeschwingungen angeregt, und das Frequenzspektrum wird durch Schlaufen aus gebndelten Kohlenstoff-Fasern bertragen, die an Messwandlern in wassergekhlten Gehusen (rechts) angebracht sind 1, 2. Bild 1 Schematische Darstellung des R