DIN SPEC 1017-2009 Advanced technical ceramics - Ceramic composites - Determination of the fibre matrix interfacial frictional shear stress at room temperature by tensile tests on .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.!$RvM“1478342www.din.deDDIN SPEC 1017Hochleistungskeramik Keramische Verbundwerkstoffe Bestimmung der Faser/Matrix-Grenzflchenscherspannung beiRaumtemperatur durch Zugversuche an Kl

3、einstproben;Deutsche Fassung CEN/TS 15881:2009Advanced technical ceramics Ceramic composites Determination of the fibre/matrix interfacial frictional shear stress at room temperature bytensile tests on mini-composites;German version CEN/TS 15881:2009Cramiques techniques avances Cramiques composites

4、Dtermination de la contrainte de frottement en cisaillement linterface fibre/matrice temprature ambiante Essais de traction sur minicomposites;Version allemande CEN/TS 15881:2009Alleinverkauf der Spezifikationen durch Beuth Verlag GmbH, 10772 Berlin www.beuth.deGesamtumfang 19 SeitenDIN CEN/TS 15881

5、DIN SPEC 1017:2009-08 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 Vornorm wurde kein Entwurf v

6、erffentlicht. Dieses Dokument (CEN/TS 15881:2009) wurde vom Technischen Komitee CEN/TC 184 Hochleistungs-keramik“ erarbeitet, dessen Sekretariat vom BSI (Vereinigtes Knigreich) gehalten wird. Zu CEN/TS 15881 gibt es kein Arbeitsgremium im DIN, da seitens der deutschen Fachffentlichkeit kein Interess

7、e an diesem Normungsthema bekundet wurde. 2 Vornorm TECHNISCHE SPEZIFIKATION TECHNICAL SPECIFICATION SPCIFICATION TECHNIQUE CEN/TS 15881 Mai 2009 ICS 81.060.30 Deutsche Fassung Hochleistungskeramik Keramische Verbundwerkstoffe Bestimmung der Faser/Matrix-Grenzflchenscherspannung bei Raumtemperatur d

8、urch Zugversuche an Kleinstproben Advanced technical ceramics Ceramic composites Determination of the fibre/matrix interfacial frictional shear stress at room temperature by tensile tests on mini-composites Cramiques techniques avances Cramiques composites Dtermination de la contrainte de frottement

9、 en cisaillement linterface fibre/matrice temprature ambiante - Essais de traction sur minicomposites Diese Technische spezifikation (CEN/TS) wurde vom CEN am 28.Mrz 2009 als eine knftige Norm zur vorlufigen Anwendung angenommen. Die Gltigkeitsdauer dieser CEN/TS ist zunchst auf drei Jahre begrenzt.

10、 Nach zwei Jahren werden die Mitglieder des CEN gebeten, ihreStellungnahmen 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/TS in der gleichen Weise wie bei einer EN anzukndigen u

11、nd dieCEN/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 von Belgien, Bulgarien, Dnemark, Deutschland, Estland, F

12、innland, 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 Republik, Ungarn, dem Vereinigten Knigreichund Zypern. Management

13、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 15881:2009 DCEN/TS 15881:2009 (D) 2 Inhalt Seite Vorwort 3 1 Anwendungsbereich .4 2 Normative V

14、erweisungen4 3 Begriffe und Symbole4 4 Kurzbeschreibung .6 4.1 Verfahren A.6 4.2 Verfahren B.7 5 Bedeutung und Anwendung.7 6 Gerte8 6.1 Zugprfmaschine.8 6.2 Krafteinleitung9 6.3 Datenaufzeichnungssystem .9 7 Proben.9 8 Vorbereitung der Proben 9 8.1 Allgemeines9 8.2 Probe mit Fenster 9 8.3 Probe mit

15、Zylinderschften . 10 9 Anzahl der Proben 10 10 Prfverfahren 11 10.1 Bestimmung der Messlnge 11 10.2 Bestimmung des Querschnitts 11 10.3 Bestimmung des Volumenanteils der Fasern 11 10.4 Bestimmung des Volumenanteils der Matrix.11 10.5 Bestimmung der Anzahl der Risse bei Sttigung, N. 11 11 Prftechnik

16、11 12 Gltigkeit der Prfung 12 13 Berechnungen. 12 13.1 Zugspannung 12 13.2 Verfahren A 12 13.3 Verfahren B 13 13.3.1 Anfangsspannung 13 13.3.2 Nachgiebigkeit der Krafteinleitung, Cl13 13.3.3 Lngennderung. 14 13.3.4 Elastizittsmodul (Youngscher Modul) 15 13.3.5 Bestimmung der Reibschubspannung an der

17、 Grenzflche . 15 14 Prfbericht. 16 Literaturhinweise . 17 DIN SPEC 1017:2009-08 Vornorm CEN/TS 15881:2009 (D) 3 Vorwort Dieses Dokument (CEN/TS 15881:2009) wurde vom Technischen Komitee CEN/TC 184 Hochleistungskeramik“ erarbeitet, dessen Sekretariat vom BSI gehalten wird. Es wird auf die Mglichkeit

18、hingewiesen, 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 nati

19、onalen 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, R

20、umnien, Schweden, Schweiz, Slowakei, Slowenien, Spanien, Tschechische Republik, Ungarn, Vereinigtes Knigreich und Zypern. DIN SPEC 1017:2009-08 Vornorm CEN/TS 15881:2009 (D) 4 1 Anwendungsbereich Diese Technische Spezifikation des CEN legt fr Verbundwerkstoffe mit keramischer Matrix ein Verfahren zu

21、r Ermittlung der Kennwerte fr den Verbund zwischen Faser und Matrix fest, indem bei Raumtemperatur an Mini-Verbundwerkstoffen die Reibschubspannung (reibungsbedingte Scherspannung) an der Grenzflche gemessen wird, die durch zyklische Zugbeanspruchung erzeugt wird. Ein Mini-Verbundwerkstoff ist ein V

22、erbundwerkstoff mit einer unidirektionalen Verstrkung durch ein einziges Faserbndel. 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 d

23、ie letzte Ausgabe des in Bezug genommenen Dokuments (einschlielich aller nderungen). CEN/TR 13233:2007, Hochleistungskeramik Benennungen und Formelzeichen EN ISO 7500-1, Metallische Werkstoffe Prfung von statischen einachsigen Prfmaschinen Teil 1: Zug- und Druckprfmaschinen Prfung und Kalibrierung d

24、er Kraftmesseinrichtung (ISO 7500-1:2004) 3 Begriffe und Symbole Fr die Anwendung dieser Technischen Spezifikation gelten die Begriffe und Symbole nach CEN/TR 13233:2007 und die folgenden Begriffe und Symbole. 3.1 Faserradius Rf Rfist bei kreisfrmigen Fasern der mittlere Radius der Fasern; bei nicht

25、 kreisfrmigen Fasern wird FSanstelle von Rfverwendet 3.2 Querschnitt der Faser SF mittlere Querschnittsflche der Faser 3.3 Querschnitt A0 Querschnittsflche der Probe 3.4 Messlnge L0 Anfangsabstand zwischen den beiden eingespannten Enden der Probe 3.5 Volumenanteil 3.5.1 Volumenanteil der Faser Vf Fa

26、seranteil der Probe, der mit Mikroskop und Bildanalyse oder nach einem anderen geeigneten Verfahren bestimmt werden kann DIN SPEC 1017:2009-08 Vornorm CEN/TS 15881:2009 (D) 5 3.5.2 Volumenanteil der Matrix Vm Matrixanteil der Probe, der mit Mikroskop und Bildanalyse oder nach einem anderen geeignete

27、n Verfahren bestimmt werden kann 3.6 Zugkraft F auf die Probe aufgebrachte Zugkraft 3.7 Hchstzugkraft FM hchste aufgezeichnete, bei einem Zugversuch bis zum Bruch auf die Probe aufgebrachte Zugkraft 3.8 Anfangszugkraft beim Entlasten Fp zu Beginn des Entlastens auf die Probe aufgebrachte Zugkraft 3.

28、9 Zugkraft bei Matrixriss-Sttigung Fs am Ende des nicht linearen Bereichs der Kraft-Verschiebungs-Kurve (siehe Bild 1) auf die Probe aufgebrachte Zugkraft 3.10 Hysteresekurve oder Hystereseschleife Kraft-Verschiebungs-Kurve, die erhalten wird, wenn die Probe bis zu einer zuvor festgelegten Kraft bel

29、astet und dann bis zur Kraft null entlastet wird (siehe Bild 2) 3.11 Flche der Hystereseschleife S die whrend eines Beanspruchungszyklus in der Kraft-Verschiebungs-Kurve zwischen Entlasten und erneu-tem Belasten eingeschlossene Flche (siehe Bild 2) 3.12 Breite der Hystereseschleife Differenz der bei

30、m Entlasten und erneuten Belasten whrend eines Beanspruchungszyklus bei derselben Kraft gemessenen Verschiebungen (siehe Bild 2) 3.13 Zugspannung Spannung, die zu berechnen ist, indem die entsprechende Zugkraft in der Sequenz Entlastung-erneute Belastung durch den Querschnitt A0dividiert wird 3.14 A

31、nfangsspannung beim Entlasten p Spannung, die zu berechnen ist, indem die Zugkraft zu Beginn des Entlastens durch den Querschnitt A0divi-diert wird 3.15 Spannung bei Matrixriss-Sttigung s Spannung, die zu berechnen ist, indem die Zugkraft am Ende des nicht linearen Bereichs in der bei mono-toner Bea

32、nspruchung aufgestellten Kraft-Verschiebungs-Kurve durch den Querschnitt A0dividiert wird (bei der Kraft Fsin Bild 1) DIN SPEC 1017:2009-08 Vornorm CEN/TS 15881:2009 (D) 6 3.16 Lngennderung L Zunahme der Messlnge unter Einwirkung einer bestimmten Kraft 3.17 Gesamtnachgiebigkeit Ct reziproke Steigung

33、 (Kehrwert der Steigung) des linearen Anfangsbereichs der Kraft-Verschiebungs-Kurve 3.18 Nachgiebigkeit der Krafteinleitung Cl Quotient aus der Querhauptverschiebung und der Kraft, ausgenommen der Beitrag der Probe zu der entspre-chenden Kraft whrend des Zugversuchs 3.19 Reibschubspannung an der Gre

34、nzflche f reibungsbedingte Scherspannung an der Grenzflche Faser/Matrix zu Beginn des Gleitens der Faser durch die Matrix 3.20 mittlerer Abstand zwischen Matrixrissen lS der mittlere Abstand zwischen Querrissen nach Erreichen der Matrixriss-Sttigung 4 Kurzbeschreibung Der Mini-Verbundwerkstoff wird

35、einer monotonen Zugbeanspruchung mit konstanter Verschiebungsrate paral-lel zur Faserrichtung ausgesetzt. 4.1 Verfahren A Falls in der Kraft-Verschiebungs-Kurve eine Sttigung fr die Bildung von Rissen in der Matrix nachgewiesen werden kann, ist die Reibschubspannung an der Grenzflche aus der bei Err

36、eichen der Riss-Sttigung aufgebrachten Kraft FSzu bestimmen (siehe Bild 1). Legende X Verschiebung Y Kraft Bild 1 Beim Zugversuch aufgestellte KraftVerschiebungs-Kurve (Verfahren A) DIN SPEC 1017:2009-08 Vornorm CEN/TS 15881:2009 (D) 7 4.2 Verfahren B Falls keine Riss-Sttigung nachgewiesen werden ka

37、nn, sind beim Zugversuch mehrere Beanspruchungs-zyklen durch Entlasten und erneutes Belasten mit progressiver Kraft durchzufhren. Die Flche oder Breite der Hystereseschleifen steht in direkter Beziehung zur Reibschubspannung an der Grenzflche (siehe Bild 2). Legende X Verschiebung (mm) Y Kraft (N) 1

38、 erneute Belastung 2 Entlastung Bild 2 Schematische Darstellung der bei einem Zugversuch (Verfahren B) erhaltenen Belastungs-/Entlastungszyklen (Hystereseschleifen) 5 Bedeutung und Anwendung Verbundwerkstoffe mit keramischer Matrix verhalten sich bei Zugbeanspruchung nur dann nicht sprde, wenn ein g

39、eeigneter Verbund Faser/Matrix konzipiert wurde. Die Haftfestigkeit zwischen Faser und Matrix darf nicht zu stark sein, um ein Versprden des Verbundwerkstoffs zu vermeiden. Die Haftfestigkeit zwischen Faser und Matrix sollte jedoch auch nicht zu schwach sein, weil der Verbundwerkstoff dann nicht in

40、der 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 si

41、nd daher von primrer Bedeutung fr die Verbundwerkstofftechnik sowie fr eine Bewertung und Vorhersage des Verhaltens und der Leistungsfhigkeit von Verbundwerkstoffen. Ein Mini-Verbundwerkstoff ist ein unidirektional durch ein Bndel paralleler Fasern verstrkter Verbund-werkstoff. Mini-Verbundstoffe bi

42、eten eine Vereinfachung der in Verbundwerkstoffen vorliegenden Bedingun-gen. Sie enthalten die grundlegenden Komponenten der Verbundwerkstoffe, aber ihr Lastverhalten wird nicht durch Textureffekte beeinflusst. Daher werden Mini-Verbundwerkstoffe zur Untersuchung der Zusammen-hnge zwischen Mikrostru

43、ktur und Eigenschaften textiler Verbundwerkstoffe und zur Bestimmung der Grenzflchen-Kennwerte eingesetzt. DIN SPEC 1017:2009-08 Vornorm CEN/TS 15881:2009 (D) 8 Der wichtigste Kennwert fr das mechanische Verhalten der Verbundwerkstoffe ist die Reibschubspannung an der Grenzflche. Sie stellt ein Ma f

44、r die Fhigkeit dar, Matrixrisse zu behindern und Spannungen von der Faser auf die Matrix zu bertragen. Hohe Grenzflchen-Schubspannungen weisen auf effiziente Lastbertragungen hin und stehen fr das Vorhandensein kurzer Debond-Risse (Risse, die zum Versagen des Verbunds fhren), die auf eine starke Haf

45、tfestigkeit zwischen Faser und Matrix schlieen lassen. Im Gegensatz dazu weisen niedrige Grenzflchen-Schubspannungen auf eine unzureichende Lastbertragung hin; sie stehen fr lange Debond-Risse, die auf eine geringe Haftfestigkeit zwischen Faser und Matrix schlieen lassen. Das Vorhandensein von Grenz

46、flchen mit hoher Festigkeit ist daher fr Verbundwerkstoffe mit einer steifen Matrix anzustreben, die zu einer Aufteilung der aufgebrachten Kraft in der Lage ist. Die entsprechende Kraft-Verschiebungs-Kurve zeigt einen nicht linearen Bereich. Die Hystereseschleifen sind in Abhngigkeit von der Gre der

47、 an der Grenzflche auftretenden Reibschubspannung mehr oder weniger weit geffnet. Zugversuche an Mini-Verbundwerkstoffen sind folglich fr die Bewertung der Fhigkeit der Matrix geeignet, einen Anteil der aufgebrachten Kraft aufzunehmen und die Reibschubspannung an der Grenzflche zu bestimmen. Wenn di

48、e Matrix gegenber den Fasern nachgiebig ist, wird der grte Anteil der Kraft von den Fasern getragen, und die Grenzflche hat keine besondere Bedeutung fr das mechanische Verhalten des Verbundwerkstoffs. Die Reibschubspannungen an der Grenzflche sind niedrig. Die Kraft-Verschie-bungs-Kurven verlaufen

49、berwiegend linear. Es knnen drei unterschiedliche Situationen auftreten. a) Die Kraft-Verschiebungs-Kurve ist berwiegend linear. Ist die Matrix steifer als die Fasern, weist das auf ein sprdes Verhalten hin. Die Fasern sind zu fest mit der Matrix verbunden, und es ist nicht mglich, dass die Fasern das Verhalten des Verbundwerkstoffs bestimmen. In