In situ Thermographie zur Prognose des Ermüdungs-Risswachstums in intrinsischen Al-CFK Hybridbauteilen unter zugschwellender Ermüdung im High-Cycle Regime

Abstract

Die Lebensdauer von intrinsischen Multimaterialhybriden wird maßgeblich von der Resistenz gegen ermüdungsbedingte Schädigung bestimmt. Eine Zustandsbewertung und Prognose dieser ist bis dato schwierig, da die zugrundeliegenden Prozesse an intrinsischen Grenzflächen in hybriden Strukturen nur wenig bekannt und die Anwendung der Bruchmechanik nur schwer möglich sind. Daher kommen den zerstörungsfreien Prüfverfahren in Methoden zur Zustandsbewertung und Lebensdauerprognose eine zentrale Rolle zu, da bei in situ Anwendung die Schädigung direkt lokalisiert und bestimmt werden kann. In dieser Arbeit findet zur Prognose der ermüdungsbedingten Schädigung in Aluminium-CFK Hybridverbindungen mit thermoplastischer Zwischenschicht die passive Thermographie in situ während quasi-statischer und ermüdender Zugbelastung Anwendung. Durch die thermische Dissipation wird die ermüdungsbedingte Schädigung an den intrinsischen Grenzflächen in T- und Lock-In-Amplituden-Bildern erfasst. Die gefundenen Schädigungsmechanismen, translaminares Risswachstum und Delaminationen, verhelfen zu einem besseren Verständnis der Schädigungsprozesse und verschiedener Einflussgrößen. Die Korrelation der Fehlergröße mit mechanischen Messgrößen führt zu einer Abschätzung des Schädigungsverlaufs. Zusätzlich geht die Korrelation der thermischen Dissipation mit der Energiefreisetzungsrate über den Stand der Forschung hinaus und realisiert die Verknüpfung von Thermographie und Bruchmechanik.

The lifecycle performance of multi-material-hybrids is mainly determined by the structural resistance to fatigue damage propagation. The assessment and prognosis of the damage evolution come along with numerous difficulties, as the underlying damage processes at the intrinsic interfaces are hardly known. Also, the application of fracture mechanics is hard to pursue for non-self-similar damage growth. Hence, non-destructive testing methods became of major importance to methods of damage-evaluation and failure assessment, as they enable to locate and to evaluate the occurring damage during mechanical testing. In this work the damage propagation in aluminum-CFRP hybrid-joints with a thermoplastic interlayer is monitored with in situ passive thermography under quasi-static and fatigue tensile loading. Since any damage arouses thermal dissipation, it is evaluated using T- or Lock-In-amplitude images. The results reveal two competing damage mechanisms, translaminar cracking and delamination of the intrinsic interfaces and between the middle CFRP-plies, which helps to better understand the effect of influencing factors on the damage processes. The correlation of the damage-size with mechanical quantities leads to an estimation of the damage evolution up to failure. In a novel approach, the prognosis is achieved by correlating the thermal dissipation with the strain-energy-release-rate. Hence, the link between a quantitative thermography-measure with fracture mechanics is obtained.