DIN SPEC 1016-2009 Advanced technical ceramics - Ceramic composites - Determination of the fibre matrix interfacial frictional shear stress at room temperature by a single fibre pu.pdf

1、August 2009 Normenausschuss Materialprfung (NMP) im DINPreisgruppe 11DIN 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 81.060.30Zur Erstellung einer DIN SPEC knnen verschiedene

2、 Verfahrensweisen herangezogen werden: Das vorliegende Dokument wurde nach den Verfahrensregeln einer Vornorm erstellt.!$RvN“1478343www.din.deDDIN SPEC 1016Hochleistungskeramik Keramische Verbundwerkstoffe Bestimmung der Reibschubspannung an der Grenzflche Faser/Matrixbei Raumtemperatur mit Hilfe de

3、s Einzelfaser-Push-out-Verfahrens;Deutsche Fassung CEN/TS 15880:2009Advanced technical ceramics Ceramic composites Determination of the fibre/matrix interfacial frictional shear stress at room temperature bya single fibre push-out method;German version CEN/TS 15880:2009Cramiques techniques avances C

4、ramiques composites Dtermination de la contrainte de frottement en cisaillement linterface fibre/matrice temprature ambiante Mthode dextraction dune fibre par indentation;Version allemande CEN/TS 15880:2009Alleinverkauf der Spezifikationen durch Beuth Verlag GmbH, 10772 Berlin www.beuth.deGesamtumfa

5、ng 17 SeitenDIN CEN/TS 15880DIN SPEC 1016:2009-08 Nationales Vorwort Eine Vornorm ist das Ergebnis einer Normungsarbeit, das wegen bestimmter Vorbehalte zum Inhalt oder wegen des gegenber einer Norm abweichenden Aufstellungsverfahrens vom DIN noch nicht als Norm herausgegeben wird. Zur vorliegenden

6、Vornorm wurde kein Entwurf verffentlicht. Dieses Dokument (CEN/TS 15880:2009) wurde vom Technischen Komitee CEN/TC 184 Hochleistungs-keramik“ erarbeitet, dessen Sekretariat vom BSI (Vereinigtes Knigreich) gehalten wird. Zu CEN/TS 15880 gibt es kein Arbeitsgremium im DIN, da seitens der deutschen Fac

7、hffentlichkeit kein Interesse an diesem Normungsthema bekundet wurde. 2 Vornorm TECHNISCHE SPEZIFIKATION TECHNICAL SPECIFICATION SPCIFICATION TECHNIQUE CEN/TS 15880 Mai 2009 ICS 81.060.30 Deutsche Fassung Hochleistungskeramik Keramische Verbundwerkstoffe Bestimmung der Reibschubspannung an der Grenz

8、flche Faser/Matrix bei Raumtemperatur mit Hilfe des Einzelfaser-Push-out-Verfahrens Advanced technical ceramics Ceramic composites Determination of the fibre/matrix interfacial frictional shear stress at room temperature by a single fibre push-out method Cramiques techniques avances Cramiques compos

9、ites Dtermination de la contrainte de frottement en cisaillement linterface fibre/matrice temprature ambiante Mthode dextraction dune fibre par indentationDiese Technische spezifikation (CEN/TS) wurde vom CEN am 27. Mrz 2009 als eine knftige Norm zur vorlufigen Anwendung angenommen. Die Gltigkeitsda

10、uer dieser CEN/TS ist zunchst auf drei Jahre begrenzt. Nach zwei Jahren werden die Mitglieder des CEN gebeten, ihre Stellungnahmen abzugeben, insbesondere ber die Frage, ob die CEN/TS in eine Europische Norm umgewandelt werden kann. Die CEN Mitglieder sind verpflichtet, das Vorhandensein dieser CEN/

11、TS in der gleichen Weise wie bei einer EN anzukndigen und die CEN/TS verfgbar zu machen. Es ist zulssig, entgegenstehende nationale Normen bis zur Entscheidung ber eine mgliche Umwandlung der CEN/TS in eine EN (parallel zur CEN/TS) beizubehalten. CEN-Mitglieder sind die nationalen Normungsinstitute

12、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, der Tschechischen Republi

13、k, Ungarn, dem Vereinigten Knigreich und Zypern. Management-Zentrum: Avenue Marnix 17, B-1000 Brssel 2009 CEN Alle Rechte der Verwertung, gleich in welcher Form und in welchem Verfahren, sind weltweit den nationalen Mitgliedern von CEN vorbehalten. Ref. Nr. CEN/TS 15880:2009 DCEN/TS 15880:2009 (D) 2

14、 Inhalt Seite Vorwort 3 1 Anwendungsbereich. 4 2 Normative Verweisungen. 4 3 Begriffe 4 4 Kurzbeschreibung 5 5 Bedeutung und Anwendung 7 6 Prfeinrichtung . 8 7 Proben 9 8 Vorbereitung der Proben 10 8.1 Allgemeines. 10 8.2 Auswahl der Probendicke 10 9 Prfverfahren 10 9.1 Messung der Faserlnge, Lf. 10

15、 9.2 Auswahl der Faser 10 9.3 Bestimmung der Mae der Faser 11 9.4 Prftechnik 11 10 Gltigkeit der Prfung 11 11 Berechnungen. 12 12 Prfbericht. 12 Anhang A (normativ) Bestimmung der Faserlnge Lffr keilfrmige Proben und Proben mit kleinem Abschrgungswinkel . 13 A.1 Keilfrmige Proben. 13 A.2 Proben mit

16、kleinem Abschrgungswinkel .13 Literaturhinweise . 15 DIN SPEC 1016:2009-08 Vornorm CEN/TS 15880:2009 (D) 3 Vorwort Dieses Dokument (CEN/TS 15880:2009) wurde vom Technischen Komitee CEN/TC 184 Hochleistungs-keramik“ erarbeitet, dessen Sekretariat vom BSI gehalten wird. Es wird auf die Mglichkeit hing

17、ewiesen, dass einige Texte dieses Dokuments Patentrechte berhren knnen, ohne dass diese vorstehend identifiziert wurden. CEN und/oder CENELEC sind nicht dafr verantwortlich, einige oder alle diesbezglichen Patentrechte zu identifizieren. Entsprechend der CEN/CENELEC-Geschftsordnung sind die national

18、en Normungsinstitute der folgenden Lnder gehalten, diese Technische Spezifikation anzukndigen: Belgien, Bulgarien, Dnemark, Deutschland, Estland, Finnland, Frankreich, Griechenland, Irland, Island, Italien, Lettland, Litauen, Luxemburg, Malta, Niederlande, Norwegen, sterreich, Polen, Portugal, Rumni

19、en, Schweden, Schweiz, Slowakei, Slowenien, Spanien, Tschechische Republik, Ungarn, Vereinigtes Knigreich und Zypern. DIN SPEC 1016:2009-08 Vornorm CEN/TS 15880:2009 (D) 4 1 Anwendungsbereich Diese Technische Spezifikation des CEN legt fr Verbundwerkstoffe mit keramischer Matrix ein Verfahren (Ausdr

20、ckverfahren, Push-out-Verfahren, Indentations-Verfahren) zur Ermittlung der Kennwerte fr den Ver-bund zwischen Faser und Matrix fest, indem bei Raumtemperatur eine Einzelfaser aus der Matrix so heraus-gedrckt wird, dass die Reibschubspannung an der Grenzflche (reibungsbedingte Scherspannung) zu mess

21、en ist. Diese Norm gilt fr alle Verbundwerkstoffe mit keramischer Matrix und kontinuierlicher Faserverstrkung unabhngig davon, ob eine unidirektionale (1D), bidirektionale (2D) oder dreidirektionale (xD, mit 2 x 3) Faserverstrkung vorliegt. 2 Normative Verweisungen Die folgenden zitierten Dokumente

22、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 aller nderungen). CEN/TR 13233:2007, Hochleistungskeramik Benennungen und For

23、melzeichen ISO 3611, Micrometer callipers for external measurements 3 Begriffe und Symbole Fr die Anwendung dieses Dokuments gelten die Begriffe und Symbole nach CEN/TR 13233:2007 und die folgenden Begriffe und Symbole. 3.1 Faserumfang p Umfang (Begrenzungslinie) der Faser 3.2 Lnge der Faser Lf Lnge

24、 der in die Matrix eingebetteten Faser, die der rtlichen Dicke der Probe entspricht 3.3 Druckkraft F auf die Faser ausgebte Druckkraft 3.4 Plateaukraft Fplateau auf die Faser am Punkt d“ der Kurve ausgebte Druckkraft 3.5 Reibschubspannung an der Grenzflche f Scherspannung, die whrend des Gleitens de

25、r Faser durch die Matrix auftritt 3.6 Verschiebung der Faseroberseite whrend der Prfung von der Faseroberseite zurckgelegte Verschiebungsweg DIN SPEC 1016:2009-08 Vornorm CEN/TS 15880:2009 (D) 5 4 Kurzbeschreibung Fr die Prfungen werden Proben bestimmter Gren und Formen verwendet. Mit einem Indenta-

26、tions-Prfgert wird eine Faser durch die Matrix hindurchgedrckt. Dazu wird eine Druckkraft mit konstanter Beanspruchungsgeschwindigkeit ber einen Indentor auf die Oberseite einer Einzelfaser parallel zur Faser-achse aufgebracht. Die aufgebrachte Kraft und die resultierende Verschiebung der Faserobers

27、eite werden gemessen und gleichzeitig aufgezeichnet (siehe Bild 1). Die Mae der Faser, auf die der Druck aufgebracht wird, mssen bestimmt werden. Legende 1 Kraft 2 Indentor 3 ausgewhlte Faser 4 Matrix 5 Verschiebung Bild 1 Schematische Darstellung des Prfprinzips DIN SPEC 1016:2009-08 Vornorm CEN/TS

28、 15880:2009 (D) 6 Legende X Verschiebung Y Kraft Bild 2 Schematische Darstellung des Kurvenverlaufs zur Kennzeichnung des typischen Verhaltens beim Herausdrcken einer Einzelfaser eines keramischen Verbundwerkstoffs Bild 2 zeigt die folgenden Kurvenabschnitte: a-b: elastische Verformung der Faser b:

29、beginnendes Versagen des Verbunds b-c: Bereich des fortschreitenden (stabilen) Versagens des Verbunds und Gleitens der Faser (Hinein-drcken der Faser in die Matrix) c: auftretende Instabilitt c-d: instabiles Versagen des Verbunds d: Beginn des Herausdrckens der Faser aus der Matrix an der Unterseite

30、 des Probekrpers d-e: fortschreitendes Herausdrcken: stabile Extraktion der eingebetteten Faser (Erreichen eines Plateauwerts fr die Druckkraft) Die Grenzflchenparameter sind aus der Kurve der auf die Faser aufgebrachten Kraft ber der Verschiebung der Faseroberseite zu bestimmen. Die vollstndige Kur

31、ve a-e“ ist bei der Push-out-Prfung (Ausdrck-prfung) aufzustellen, und aus der Plateaukraft d-e“ sind die Grenzflchenkennwerte zu bestimmen. DIN SPEC 1016:2009-08 Vornorm CEN/TS 15880:2009 (D) 7 5 Bedeutung und Anwendung Verbundwerkstoffe mit keramischer Matrix verhalten sich bei Zugbeanspruchung ni

32、cht sprde, wenn ein geeigneter Verbund Faser/Matrix konzipiert wurde. Zwischen Faser und Matrix kann keine zu hohe Haftung angestrebt werden, weil dann der Verbundwerkstoff versprdet. Es kann jedoch auch keine zu schwache Haftung angestrebt werden, weil in diesem Fall der Verbundwerkstoff nicht in d

33、er Lage sein wird, hohe Spannungen aufzunehmen. Die Grenzflchen mssen einen bestimmten Rissbildungswiderstand haben, um erstens eine Matrixrisshemmung und eine Schadenstoleranz und zweitens eine Lastbertragung von der Faser auf die Matrix zu ermglichen. Die Kennwerte der Grenzflchen Faser/Matrix sin

34、d daher von primrer Bedeutung fr die Verbundwerkstofftechnik sowie fr eine Bewertung und Vorhersage des Verhaltens und der Leistungsfhigkeit von Verbundwerkstoffen. Zur Bestimmung der Kennwerte Faser/Matrix in Verbundwerkstoffen werden Faser-Push-Prfungen (und besonders Ausdrckprfungen an Einzelfase

35、rn) angewendet. Diese Prfungen sind ein wirksames Mittel zur Bewertung der Grenzflchen, die ihrerseits das mechanische Verhalten bestimmen. Die wichtigsten Vorteile der Faser-Ausdrckprfungen sind die relative einfache Durchfhrung sowie der Fakt, dass aus dem Verbundwerkstoff einzelne Fasern ausgewhl

36、t werden knnen. Das Verfahren zur Ermittlung der Grenzflchenkennwerte hngt kritisch von der Form der Kraft-Verschie-bungs-Kurve ab, die whrend der Ausdrckprfungen aufgezeichnet wird. Werden zu dicke Proben verwen-det, kann nur der Abschnitt der Kurve ermittelt werden, der das Hineindrcken der Faser

37、in die Matrix (Push-in) veranschaulicht. Fr eine ausreichend dnne Probe wird jedoch die in Bild 2 gezeigte vollstndige Kurve erhalten. Die Form der Kurve kann zustzlich durch die Festigkeit an der Grenzflche beeinflusst werden. Bei einer relativ hohen Grenzflchenfestigkeit weist der Push-in-Abschnit

38、t der Kurve eine Krmmung nach oben auf. In diesem Fall sind sehr dnne Proben erforderlich um zu erreichen, dass die Faser aus der Matrix herausgedrckt wird. Mit Hilfe von Faser-Push-Prfungen knnen in Abhngigkeit vom betrachteten Abschnitt der Kurve ver-schiedene Kennwerte bestimmt werden. Der grundl

39、egende Kennwert, der sowohl aus den Push-in- als auch aus den Push-out-Abschnitten der Kurven ermittelt werden kann, ist die Reibschubspannung an der Grenz-flche, die ein Ma fr die Fhigkeit einer angerissenen Grenzflche darstellt, Spannungen von der Faser auf die Matrix zu bertragen. Bei den Faser-P

40、ush-Prfungen werden die grundlegenden Kennwerte aus der Schubspannung whrend des Gleitens der Faser bestimmt. Die aus dieser Sicht effizientesten Grenzflchen sind durch hohe Grenzflchen-Schubspannungen gekennzeichnet. Es kann davon ausgegangen werden, dass diese Grenzflchen eine hohe Festigkeit aufw

41、eisen. Im Gegensatz dazu werden die weniger effizienten Grenzflchen durch geringere Grenzflchen-Schubspannungen charakterisiert. Es kann davon ausgegangen werden, dass diese Grenzflchen eine geringe Festigkeit aufweisen. Folglich stellt die an der Grenzflche auftretende Schubspannung ein Ma fr die F

42、estigkeit der Grenzflche dar. Die Schubspannung kann ebenso wie der Widerstand gegen das Versagen des Verbunds sowohl aus dem Push-in- als auch aus dem Push-out-Abschnitt der Kurve bestimmt werden. Die Ermittlung aus Push-in-Kurven basiert auf ziemlich komplizierten Modellen, die in den Literaturhin

43、weisen beschrieben werden. Die Ermittlung wird einfacher, wenn Push-out-Kurven aufgestellt werden knnen. Andererseits knnen aus Push-in-Kurven weitere Kennwerte ermittelt werden, z. B. Reibungskoeffizient, Klemmspannung, Rauheit der Grenzflche. Die Bestimmung der Grenzflchenkennwerte aus Push-in-Kur

44、ven, die auf komplexen Beziehungen basiert (siehe Literaturhinweise), wird in dieser Norm nicht behandelt. Fr eine Push-out-Kurve kann die Gleitspannung an der Grenzflche aus der Spannung im Bereich des Plateaus am Punkt d“ in der Kurve in Bild 2 berechnet werden, an dem das Gleiten der Faser ber ih

45、re gesamte Lnge (d. h. ber die Dicke des Probekrpers) beginnt. Zur experimentellen Bestimmung der Reibschubspannung an der Grenzflche wird vorzugsweise das Push-out-Verfahren angewendet, weil die erforderlichen Berechnungen einfacher sind. Das Push-out-63 Verfahren kann im Allgemeinen immer durchgef

46、hrt werden, wenn Probekrper mit geeigneter Dicke ausgewhlt werden. Auer dem hier beschriebenen Push-out-Verfahren gibt es weitere Mglichkeiten zur Bestimmung der Ver-bund-Kennwerte Faser/Matrix: das Pull-out-Verfahren (Herausziehverfahren), Zugversuche an Mini-Verbund-DIN SPEC 1016:2009-08 Vornorm C

47、EN/TS 15880:2009 (D) 8 werkstoffen oder an Verbundwerkstoffen. Jedes dieser Verfahren hat bestimmte Vor- und Nachteile; die Auswahl des geeigneten Verfahrens muss individuell erfolgen. 6 Prfeinrichtung Die wichtigsten Gerte zur Durchfhrung der Push-out-Prfung sind: eine Kraftmessdose, ein Messsystem

48、 zur Ermittlung der Verschiebung unter Anwendung eines Dehnungsmessstreifens, ein Indentor (Eindruck-krper in Form einer Nadel), ein Mikroskop, ein Gert zur Aufzeichnung der aufgebrachten Kraft ber der sich ergebenden Verschiebung, eine Probenhalterung, die auf einem schwingungsfrei konstruierten Ti

49、sch in die beiden Richtungen x und y zu verschieben ist, eine Einrichtung, die eine exakte Fluchtung der Verschiebe-achse des Indentors und der Faserachse ermglicht und ein Datenerfassungssystem zum Speichern der Prfergebnisse. Fr den Indentor wird empfohlen, einen Werkstoff zu verwenden, der hrter und steifer