Skador och brott hos kompositer

Verkstäderna fortsätter här artikelserien "Värt att veta om kompositer". I detta avsnitt ges en kortfattad beskrivning av normala brottförlopp vid drag-, tryck-, slag-, och utmattningsbelastning av polymera fiberkompositer.

Polymera fiberkompositers draghållfasthet styrs av fiberns egenskaper, matrisens egenskaper, andel fiber, fiberns längd, fiberns orientering, fästet mellan fiber och matris, porhalt, fukthalt m m. För polymera fiberkompositer med långa/ kontinuerliga fibrer enbart riktade i belastningsriktningen är det mängden fiber, samt fiberns egenskaper, som styr materialets draghållfasthet. Vid belastning går den svagaste fibern sönder först, följt av den näst svagaste osv. När tillräckligt många fibrer har gått sönder klarar inte materialet att bära mer last, utan materialet brister.
Polymera fiberkompositer med enbart fibrer i en riktning är ganska ovanligt, efter- som materialet blir känsligt för slag och snedbelastning. Polymera fiberkompositer med långa/kontinuerliga fibrer i två riktningar (korslaminat) eller fyra riktningar (kvasi-isotropa laminat) är därför mycket vanligare. Den första skada som uppstår i ett korslaminat vid dragbelastning är sprickor i skiktet med fibrer riktade transversellt mot belastningsriktningen.
Uppkomsten av denna typ av transversella sprickor styrs till stor del av fästet mellan fiber och matris. Ett svagt fäste leder till sprickinitiering redan vid ca 0,2 % töjning, medan ett starkt fäste förskjuter initieringen till >0,6 % töjning. Uppkomst av transversella sprickor sänker styvheten på materialet men leder ej till slutbrott. Detta sker i stället närfibern i belastningsriktningen går sönder. De transversella sprickorna kan dock påverka slutbrottet eftersom de orsakar spänningskoncentrationer och sänker hållfastheten på fibrerna i belastningsriktningen.
Skador och brott för kvasiisotropa laminat är snarlikt skador och brott för korslaminat. Skillnaden är att det även uppstår sprickor i skikten riktade 45° mot belastningsriktningen. Slutbrott sker dock, i likhet för korslaminat och enkelriktade laminat, när fibern i belastningsriktningen går sönder.

Tryck
Polymera fiberkompositers tryckhållfasthet styrs av samma parametrar som draghållfastheten. Fiberns diameter har dock även betydelse, eftersom fibrerna vid tryckbelastning går att likställa med axialbelastade strävor som går sönder på grund av buckling. En stor fiberdiameter ger därför högre tryckhållfasthet än en liten fiberdiameter. Det är emellertid sällan som fiberdiametern specificeras eftersom fiberns orientering, matrisens styvhet, samt fästet mellan fiber och matris normalt har större betydelse för tryckhållfastheten än fiberdiametern. Den dominerande brottmekanismen för polymera fiberkompositer vid tryckbelastning är plastisk fibermikrobuckling. Fibrer som inte ligger helt i belastningsriktningen ger upphov till lokala skjuvtöjningar, vilket leder till fibermikrobuckling följt av fiberbrott. Några enstaka fiberbrott leder naturligtvis inte till slutbrott, men med ökad tryckbelastning bildas långa band av fiberbrott, vilka på engelska kallas för "kinkband", och dessa sänker tryckhållfastheten på materialet så pass mycket att slutbrott sker.

Slag
Slagskador i polymera fiberkompositer består av matrissprickor, delamineringar (dvs släppningar mellan olika fiberskikt), samt fiberbrott. Den första typ av skada som uppkommer, vid relativt låga slagenergier, är matrissprickor. Dessa sprickor sänker styvheten på materialet, men resulterar inte i slutbrott.
För lite högre slagenergier bildas förutom matrissprickor även delamineringar. Denna typ av sprickor är mycket allvarligare än matrissprickor eftersom de påverkar både hållfasthet och stabilitet. Komponenter med slagskador i form av delamineringar måste därför repareras, alternativt kasseras. Fiberbrott, slutligen, uppstår som en sista skademekanism innan slagkroppen penetrerar materialet. Fiberbrott leder till en sänkning av både styvhet och hållfasthet och komponenter med slagskador i form av fiberbrott måste definitivt åtgärdas.
Storleken på en slagskada styrs inte enbart av slagenergin, utan även av; hastighet på slaget, geometri på slagkroppen, massförhållande slagkropp/slagobjekt, typ av matrismaterial, typ av fiber, andel fiber, fästet mellan fiber och matris, fiberorientering, tillverkningsmetod, materialtjocklek och inspänning. Val av fiber och matrismaterial har stor inverkan på slagskadors storlek. Ökad brottseghet på matrismaterialet kan förbättra motståndet mot initiering och tillväxt av både matrissprickor och delamineringar, medan ökad brottöjning på fibern kan förbättra motståndet mot fiberbrott. Val av fiber med hög styvhet ger dock inte automatiskt bättre slagtålighet, utan glasfiberkompositer kan ha minst lika bra slagtålighet som kolfiberkompositer.

Utmattning
Utmattningsbrott uppkommer då en detalj utsätts för pulserande belastningar. Alla material är mer eller mindre känsliga för utmattningsbelastning och slutbrott uppstår normalt vid väsentligt lägre laster än vid statisk belastning. Utmattningshållfastheten för fiberkompositer styrs av samma parametrar som drag- och tryckhållfastheten, se ovan, men påverkas dessutom även av belastningstyp (drag-drag, drag-tryck, tryck-tryck), storlek på spänningens amplitud, belastningsfrekvens, samt förekomst av lastpikar. Drag-tryckbelastning kan t ex för vissa materialsystem vara betydligt värre än drag- drag belastning eftersom sprickor som bildas under drag kan tillväxa under tryck.
Utmattningshållfastheten för polymera fiberkompositer med fibrer riktade enbart i belastningsriktningen är normalt mycket bra. Anledningen är att det är fibern som styr slutbrott och de flesta typer av fibrer har mycket bra utmattningshållfasthet. Utmattningshållfastheten för polymera fiberkom- positer med fibrer i andra riktningar än belastningsriktningen, t ex korslaminat eller kvasiisotropa laminat, är normalt sämre eftersom det i dessa fall är matrisen som till stor del styr egenskaperna.
Den första typen av utmattningsrelaterad skada i ett laminat med olika fibervinklar är normalt släppning mellan fiber och matris (debonding). Sprickorna som bildas i gränsytan mellan fiber och matris sammanlänkas sedan och bildar transversella sprickor. Även i laminat med slumpmässigt ordande fibrer, t ex laminat baserade på huggna fibermattor, är den första utmattningsrelaterade skadan släppning mellan fiber och matris.
De inledande skademekanismerna är alltså desamma vid statisk belastning, se ovan, och utmattningsbelastning, även om belastningsnivåerna vid skadeinitiering ofta är lägre vid utmattning. Den fortsatta skadetillväxten, efter bildandet av transversella sprickor, skiljer dock något. Medan de transversella sprickorna vid statisk dragbelastning stoppas upp av intilliggande skikt med andra fiberriktningar, fortsätter de transversella sprickorna ofta att tillväxa vid utmattningsbelastning, men nu i form av delamineringar mellan skikt med olika fiberorientering. Delamineringstillväxten leder till sprickor och fiberbrott i skikten med fibrer i belastningsriktningen och slutbrott sker när dessa skikt blir allt för försvagade.

{{ visitor.ipAccess.member.name }}

{{ visitor.ipAccess.corporateClient.name }}

{{ visitor.person.name }}

Skador och brott hos kompositer

Företagens egna nyheter

Mest läst

Jobb i fokus

Senaste nytt

Utvalda artiklar

Utvalda nyheter från förstasidan

God jul och gott nytt år!

Satsning på 13 miljarder hotas – kinesisk batteritillverkare stoppas

Svenska tillverkaren siktar på Asien

Ny vd för maskindistributören Jon Stenberg

Tråkig julklapp: Drygt 20 mister jobbet

Andra Nordiska Medier

Nyhetsbrev

Sänd till en kollega