Hybride Werkstoffsysteme: Systematische Betrachtung und Bewertung der physikalischen Wirkmechanismen [Vorläufige Version]
Creators: name: Hummelberger, David
Publisher: name: Karlsruhe
Year: 2018
Subjects: Hybride Werkstoffsysteme
hybride Werkstoffe
Schichtverbunde
Sandwichverbunde
Wirkmechanismen
Zugbeanspruchung
experimentelle Charakterisierung
numerische Simulation
optische Dehnungsmessung
Dehnpfad
Dehnungsfeld
Wärmebildmessung
Finite Elemente Methode
Querkontraktionsbehinderung
Lokalisierungsbehinderung
hybrid material systems
laminated metal composites
fiber-metal laminates
mechanisms
tensile loading
experimental characterization
numerical simulation
digital image correlation
strain path
strain field
thermography
temperature field
finite element method
localization hindrance
lateral contraction hindrance

description: Hybride Werkstoffsysteme entstehen durch die gezielte Kombination unterschiedlicher Werkstoffe. Dadurch lassen sich spezifische Eigenschaftsprofile erzielen, die durch monolithische Werkstoffe nicht erreichbar wären. Aufgrund der Vielzahl an Variationsmöglichkeiten bieten derartige Werkstofflösungen enormes Potenzial, um diverse an Bauteile gestellte Anforderungen zu erfüllen.
Für eine optimierte und effiziente Auslegung hybriderWerkstoffsysteme für Strukturbauteile ist ein tiefgehendes Grundlagenverständnis hinsichtlich des Zusammenwirkens der unterschiedlichen Komponenten von hoher Bedeutung. In der vorliegenden Arbeit werden adhäsiv verbundene hybrideWerkstoffsysteme bestehend aus Metallblechen oder Metall- und Faserverbundwerkstoffschichten mit Hilfe von uniaxialen Zugversuchen systematisch analysiert und bewertet. Die auftretenden Verformungs- und Versagensmechanismen und insbesondere die hybridisierungsbedingten Änderungen dieser werkstoffspezifischen Effekte werden mit experimentellen und numerischen Methoden untersucht. Bei metallbasierten hybriden Werkstoffsystemen lässt sich aufzeigen, dass die physikalischen Wirkmechanismen Lokalisierungsbehinderung, Überbrückungseffekt und Mehrfacheinschnürung zu einer Veränderung der Dehnpfade in den einzelnen Schichten beitragen. Diese Änderung des Deformationsverhaltens führt in bestimmten Lagen zu einer Stabilisierung der plastischen Instabilität und darauf basierend zur Bruchdehnungserhöhung von bis zu 25 Prozentpunkten im Vergleich zum monolithischen Werkstoff. Bei hybriden Werkstoffsystemen, welche sich aus einer Metall- und einer Faserverbundwerkstoffkomponente zusammensetzen, ist eine hybridisierungsbedingte gegenseitige Querdehnungsbeeinflussung der beiden Verbundpartner zu beobachten. Mit steigender Anzahl an Faserverbundwerkstoffschichten quer zur Belastungsrichtung ist in der Metalllage eine zunehmende Abweichung vom uniaxialen Dehnpfad und somit eine Zunahme der Querkontraktionsbehinderung zu erkennen. Im Zuge der Untersuchungen zeigt sich ein direkter Zusammenhang zwischen der Ausprägung der Querkontraktionsbehinderung und der Bruchdehnung der Metallkomponente.
Aufbauend auf den gewonnenen Erkenntnissen zu physikalischen Wirkmechanismen wird für ausgewählte hybride Werkstoffsysteme eine allgemeingültige, mechanismenbasierte analytische Auslegungsmethodik entwickelt. Durch Anwendung auf eine B-Säule wird das analytische Modell auf Werkstoffebene validiert. Der Vergleich zwischen analytisch, experimentell und numerisch ermittelten Ergebnissen zeigt eine hohe Übereinstimmung. Damit ermöglicht die Methodik eine effiziente und zuverlässige Ableitung von Hybridisierungslösungen mit lokal maßgeschneiderten Eigenschaften. Darüber hinaus lässt sich der Simulations- und Versuchsaufwand in frühen Entwicklungsphasen deutlich reduzieren.