Din Spec 4885

Januar 2014

D

DIN SPEC 4885 ICS 83.120

Faserverstärkte Kunststoffe – Schubversuch mittels Schubrahmen zur Ermittlung der Schubspannungs-/Schubverformungskurve und des Schubmoduls in der Lagenebene; Text Deutsch und Englisch Fibre-reinforced plastic composites – Shear test method using a shear frame for the determination of the in-plane shear stress/shear strain response and shear modulus; Text in German and English Composites plastiques renforcés de fibres – Procédé d’essai de cisaillement en utilisant une trame de cisaillement pour déterminer la réponse contrainte-déformation et le module de cisaillement en cisaillement plan; Texte en allemand et anglais

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Zur Erstellung einer DIN SPEC können verschiedene Verfahrensweisen herangezogen werden: Das vorliegende Dokument wurde nach den Verfahrensregeln einer PAS erstellt.

Gesamtumfang 28 Seiten

Dieses Dokument wurde durch die im Vorwort genannten Verfasser erarbeitet und verabschiedet. ©

DIN Deutsches Institut für Normung e. V. · Jede Art der Vervielfältigung, auch auszugsweise, nur mit Genehmigung des DIN Deutsches Institut für Normung e. V., Berlin, gestattet. Alleinverkauf der Spezifikationen durch Beuth Verlag GmbH, 10772 Berlin

Preisgruppe 99 www.din.de www.beuth.de

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2080491

DIN SPEC 4885:2014-01

Inhalt Seite Vorwort ................................................................................................................................................................3 Einleitung .............................................................................................................................................................4 1

Anwendungsbereich .............................................................................................................................4

2

Normative Verweisungen ......................................................................................................................4

3

Begriffe ...................................................................................................................................................4

4

Kurzbeschreibung .................................................................................................................................6

5

Prüfgeräte ...............................................................................................................................................6

6

Probekörper............................................................................................................................................8

7

Prüfverfahren ...................................................................................................................................... 10

8

Berechnung und Angabe der Ergebnisse ........................................................................................ 12

9

Prüfbericht ........................................................................................................................................... 13

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Literaturhinweise ............................................................................................................................................. 14

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DIN SPEC 4885:2014-01

Vorwort Diese DIN SPEC wurde nach dem Verfahren PAS erarbeitet. Die Erarbeitung von DIN SPEC nach dem PASVerfahren erfolgt in Workshops und nicht zwingend unter Einbeziehung aller interessierten Kreise. Es wird auf die Möglichkeit hingewiesen, dass einige Elemente dieses Dokuments Patentrechte berühren können. Das DIN [und/oder die DKE] sind nicht dafür verantwortlich, einige oder alle diesbezüglichen Patentrechte zu identifizieren. Die Erarbeitung und Verabschiedung des Dokuments erfolgte durch die nachfolgend genannten Initiatoren und Verfasser: 

BASF SE, Dr.-Ing. Henrik Schmidt;



BMW AG, Dr.-Ing. Joachim Starke, Jan Paulus;



Carbon Composites e. V., Franz Fendt;



Grasse Zur Ingenieurgesellschaft mbH, Dr.-Ing. Fabian Grasse, Malte Zur.

Für diese DIN SPEC wurde kein Entwurf veröffentlicht. DIN SPEC sind nicht Bestandteil des Deutschen Normenwerks. Für dieses Thema bestehen derzeit keine Normen. Trotz großer Anstrengungen zur Sicherstellung der Korrektheit, Verlässlichkeit und Präzision technischer und nicht-technischer Beschreibungen kann der Workshop weder eine explizite noch eine implizite Gewährleistung für die Korrektheit des Dokuments übernehmen. Die Benutzung dieses Dokuments geschieht in dem Bewusstsein, dass der Workshop für Schäden oder Verluste jeglicher Art nicht haftbar gemacht werden kann. Die Anwendung der vorliegenden DIN SPEC entbindet den Nutzer nicht von der Verantwortung für eigenes Handeln und geschieht damit auf eigene Gefahr.

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DIN SPEC 4885:2014-01

Einleitung Diese DIN SPEC erfasst alle endlosfaserverstärkten Kunststoffe, die in der erforderlichen Art und Weise versagen. In Anlehnung an diese DIN SPEC können auch kurz- und langfaserverstärkte Kunststoffe geprüft werden. Der Versuch mittels Schubrahmen ist zur Ermittlung des Schubmoduls und der Schubfestigkeit auch für Schubverformungen von 5 % oder größer anwendbar.

1

Anwendungsbereich

Diese DIN SPEC legt ein Verfahren zur Bestimmung der Schubspannungs-Schubverformungs-Kurve, des Schubmoduls und der Schubfestigkeit von endlosfaserverstärkten Kunststoffen mit einer Faserorientierung in 0° bzw. 0°/90° mittels einer Schubprüfvorrichtung in der Lagenebene fest. Das Verfahren ist anwendbar auf Laminate, die aus einer thermoplastischen oder duroplastischen Grundmasse und aus unidirektionalen Lagen/Gelegen und/oder Geweben einschließlich unidirektionaler Gewebe mit einer Faserorientierung in 0° bzw. 0°/90° zur Probekörperachse bestehen. Der Laminataufbau muss symmetrisch und ausgeglichen um die Mittelebene des Probekörpers gestaltet werden. Das Verfahren ist für die Bestimmung der Schubeigenschaften sowohl im linearen als auch im nicht-linearen Last-Verformungs-Bereich bei Schubdehnungen auch über 5 % geeignet. Insbesondere ist die Bestimmung der maximalen Schubfestigkeit auch im Bereich von Schubdehnungen > 5 % möglich.

2

Normative Verweisungen

Die folgenden Dokumente, die in diesem Dokument teilweise oder als Ganzes zitiert werden, sind für 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 (einschließlich aller Änderungen). DIN EN ISO 291, Kunststoffe — Normalklimate für Konditionierung und Prüfung

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DIN EN ISO 2818, Kunststoffe — Herstellung von Probekörpern durch mechanische Bearbeitung ISO 1268 (all parts), Fibre-reinforced plastics — Methods of producing test plates ISO 2602, Statistical interpretation of test results — Estimation of the mean — Confidence interval ISO 5893, Rubber and plastics test equipment — Tensile, flexural and compression types (constant rate of traverse) — Specification

3

Begriffe

Für die Anwendung dieses Dokuments gelten die folgenden Begriffe. 3.1 Lagenebene Ebene, die durch die Koordinatenachsen 1 und 2 aufgespannt wird Anmerkung 1 zum Begriff:

4

Siehe Bild 1.

DIN SPEC 4885:2014-01

3.2 Schubspannung in der Lagenebene τ12 Spannung, die durch Dividieren des Augenblickwertes der an dem Schubrahmen wirkenden Zugkraft durch die Querschnittsfläche des Probekörpers bestimmt wird Anmerkung 1 zum Begriff:

Querschnittsfläche siehe 8.1.

Anmerkung 2 zum Begriff:

Die Schubspannung in der Lagenebene wird in MPa angegeben.

3.3 Schubfestigkeit in der Lagenebene τ12M Maximalwert der Schubspannung Anmerkung 1 zum Begriff:

Siehe auch 8.2.

Anmerkung 2 zum Begriff:

Die Schubfestigkeit in der Lagenebene wird in MPa angegeben.

3.4 Schubverformung γ12 Summe der Beträge der gesamten Schubverformungen des Probekörpers Anmerkung 1 zum Begriff:

Siehe auch 8.3.

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3.5 Schubmodul in der Lagenebene Sekantenmodul in der Lagenebene G12 ′′ und τ 12 ′ und der Differenz der zugehörigen Quotient aus der Differenz der Schubspannungen τ 12 ′′ = 0,005 und γ 12 ′ = 0,001 Schubverformungen γ 12 Anmerkung 1 zum Begriff:

Siehe auch 8.4 und Bild 3.

Anmerkung 2 zum Begriff:

Der Schubmodul in der Lagenebene wird in MPa angegeben.

3.6 Koordinatenachse Richtung 1 < Probekörper > Richtung parallel zur Längsachse der Prüfmaschine Anmerkung 1 zum Begriff:

Die Fasern mit einer Orientierung in 0° liegen in Richtung 1.

Anmerkung 2 zum Begriff:

Siehe Bild 1 und Bild 2.

3.7 Koordinatenachse Richtung 2 < Probekörper > Richtung rechtwinklig zur Längsachse der Prüfmaschine Anmerkung 1 zum Begriff:

Die Fasern mit einer Orientierung in 90° liegen in Richtung 2.

Anmerkung 2 zum Begriff:

Siehe Bild 1 und Bild 2.

1

DIN SPEC 4885:2014-01

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Kurzbeschreibung

Ein quadratischer Probekörper mit Eckenaussparungen und Fasern mit einer Orientierung in 0° bzw. 0°/90° zur Probekörperachse wird in einem Schubrahmen einer reinen Schubbelastung ausgesetzt. Zur Ermittlung des Schubmoduls und der Schubfestigkeit werden die an dem Schubrahmen wirkende Zugkraft und die zugehörige Schubdehnung gemessen. Das Verfahren prägt dem Probekörper einen reinen Schubspannungszustand in der Lagenebene auf und ermöglicht dadurch eine Prüfung ohne eine Überlagerung von Schubbeanspruchungen und anderen Beanspruchungen und stellt damit eine reproduzierbare Bestimmung der Materialkennwerte sicher. Das Verfahren verwendet eine allseitige, homogen verteilte und reproduzierbare Einspannung des Probekörpers mit einer Nachführung, die die Klemmspannung konstant hält. Es existieren keine freien Probekörperränder, somit treten keine Lastumlagerungseffekte auf, die das Prüfergebnis beeinflussen könnten. Ein ungültiges Versuchsergebnis durch Materialversagen am Probenrand, im Bereich der Einspannung des Probekörpers, wird durch das Auftreten des Schubspannungsmaximums im Zentrum des Probekörpers verhindert.

5

Prüfgeräte

5.1 Zugprüfmaschine 5.1.1

Allgemeines

Die Zugprüfmaschine muss in Übereinstimmung mit ISO 5893 und nach den in 5.1.2 und 5.1.3 angegebenen Anforderungen ausgeführt sein. 5.1.2

Prüfgeschwindigkeit

Die Prüfgeschwindigkeit v muss in Übereinstimmung mit ISO 5893 konstant gehalten werden. 5.1.3

Anzeigen für die Kraft

Die Zugprüfmaschine muss Anzeigen für die Kraft besitzen, wobei der Fehler in der Anzeige der Kraft kleiner als ± 1 % des Messbereichendwertes (siehe ISO 5893) sein muss.

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5.2 Schubrahmen Der Probekörper wird in zwei identisch aufgebauten Schubrahmenhälften mittels einer die Klemmspannung nachführenden Klemmvorrichtung fixiert, so dass der Probekörper in der Lagenebene komplett umschlossen und die Einspannkraft während des Versuchs gleichmäßig und reproduzierbar auf den Probekörper übertragen wird. Das kinematische Prinzip des Schubrahmens – Verformung des quadratischen zum rautenförmigen Probekörpers – ist in Bild 1 dargestellt. Die Einspannfläche und das freie Schubfeld sind in Bild 2 dargestellt.

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DIN SPEC 4885:2014-01

Legende 1 2 a b c d e f

Koordinatenachse Richtung 1 Koordinatenachse Richtung 2 Lagerung Kinematik Lasteinleitung Spanndruck Verschiebungsbehinderung durch Symmetrie Kraft Gelenkknoten Vorgegebene Translation Verhinderte Translation Gekoppelte Translation

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Gekoppelte Translation Druck Bild 1 — Kinematisches Prinzip des Schubrahmens

5.3 Dehnungsmessung Das Verfahren erfordert die Messung der Dehnungen in 45°–Orientierung zur Koordinatenachse (siehe Bild 2). Bei Verwendung von Dehnungsmessstreifen sind diese auf der Vorder- und Rückseite des Probekörpers erforderlich. Die Auswahl der Größe und der Eigenschaften erfolgt in Abhängigkeit des verwendeten Prüfkörpers. Dehnungsmessstreifen, die nach Bild 2 deckungsgleich aufgeklebt werden, müssen eine Fehlergrenze von ± 1 % des Messbereichendwertes haben. Dehnungsmessgeräte, Oberflächenbehandlung und Klebstoffsystem müssen entsprechend den vorhandenen Materialien ausgewählt werden und zur Aufzeichnung der Dehnung ist eine geeignete Einrichtung anzuwenden. Bei Verwendung eines optischen 3D-Messsystems ist die Messung der Dehnung auf einer Seite des Probekörpers ausreichend. Die Messung der Dehnung erfolgt entsprechend der Anordnung der Dehnungsmessstreifen (siehe Bild 2).

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5.4 Messschraube Für die Messung der Dicke h des Probekörpers muss eine Messschraube oder ein gleichwertiges Messgerät mit einer Fehlergrenze von ≤ 0,01 mm verwendet werden. Die Messflächen der Messschraube müssen für die zu messende Oberfläche geeignet sein (d. h. flache Messflächen für flache, polierte Oberflächen und halbkugelige Messflächen für ungleichförmige Oberflächen).

6

Probekörper

6.1 Form und Maße Die Maße des Probekörpers sind in Bild 2 veranschaulicht. Der Probekörper muss eine Breite von (165 ± 0,5) mm und eine Länge von (165 ± 0,5) mm haben. Die für den Schubversuch ausschlaggebende Größe des Schubfeldes muss eine Breite von (105 ± 0,5) mm und eine Länge von (105 ± 0,5) mm haben. Die Ebenheit des Probekörpers muss ≤ 1 mm betragen. Sofern nicht anders festgelegt, muss die Dicke (4 ± 0,2) mm betragen. Die Dicke des Probekörpers muss derart gewählt werden, dass eine Auslenkung des Probekörpers aus der Lagenebene ausgeschlossen wird. Die Auslenkung ist zulässig, wenn die Differenz zwischen den an beiden Seiten des Probekörpers während des Schubversuchs bis zum Bruch aufgezeichneten Schubdehnungen der Gleichung (1) genügt:

ε v − εh ≤ 0,1 ε v + εh

(1)

Dabei ist εv

die Dehnung auf der Vorderseite des Probekörpers;

εh

die Dehnung auf der Rückseite des Probekörpers.

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Die Größe des Schubfeldes muss, wie in Bild 2 dargestellt, anhand der diagonalen Prüfmaße (148,5 ± 0,5) mm kontrolliert werden.

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Maße in Millimeter

Legende 1 2 a b c d

Koordinatenachse Richtung 1 Koordinatenachse Richtung 2 Position für Dickenmessung Klemmfläche Schubfeld Dehnungsmessung Bild 2 — Probekörpergeometrie mit Kennzeichnung der Faserorientierung

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DIN SPEC 4885:2014-01

6.2 Herstellung von Probekörpern Eine Platte mit der geforderten ausgeglichenen und symmetrischen Faserorientierung in 0° bzw. 0°/90° zur Probekörperachse muss nach ISO 1268 oder nach einem anderen festgelegten/vereinbarten Verfahren hergestellt werden. Einzelne Probekörper oder Probekörperreihen sind auf die erforderliche Größe zu schneiden. Einige Kennwerte für die Bearbeitung sind in DIN EN ISO 2818 festgelegt.

6.3 Überprüfung der Probekörper Die Oberflächen der Probekörper müssen frei von Kratzern, Löchern, Einfallstellen und Graten sein. Die Probekörper müssen frei von Delaminationen sein. Die Probekörper müssen flach und frei von Verdrehungen sein. Die Überprüfung der genannten Anforderungen muss visuell mit Haarlinealen, Anschlagwinkeln, ebenen Platten und durch Messung mit Feinmesslehren durchgeführt werden. Probekörper, die messbare oder sichtbare Abweichungen von einer dieser Anforderungen zeigen, müssen verworfen oder vor der Prüfung auf die vorgeschriebene Größe und Form nachbearbeitet werden.

6.4 Anzahl der Probekörper 6.4.1

Mindestens fünf Probekörper müssen geprüft werden.

Die Berechnung des Vertrauensbereiches (95%ige Wahrscheinlichkeit) muss nach ISO 2602 ermittelt werden. 6.4.2 Die Ergebnisse von Probekörpern, die am oder im Einspannbereich brechen (Klemmbruch), sind zu verwerfen; an ihrer Stelle sind neue Probekörper zu prüfen.

6.5 Vorbehandlung der Probekörper Die Probekörper sind nach den Festlegungen der Internationalen Produktnorm für den untersuchten Werkstoff zu konditionieren, sofern solche gegeben sind. Fehlt diese Information, so ist die am besten zutreffende Bedingung aus DIN EN ISO 291 auszuwählen, falls von den Beteiligten nichts anderes vereinbart wird.

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Prüfverfahren

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7.1 Prüfatmosphäre Die Probekörper sind nach den Festlegungen der Internationalen Produktnorm für den untersuchten Werkstoff zu prüfen, sofern solche gegeben sind. Fehlt diese Information, so ist die am besten zutreffende Bedingung aus DIN EN ISO 291 auszuwählen, falls von den Beteiligten nichts anderes vereinbart wird (z. B. für die Prüfung bei hoher oder tiefer Temperatur).

7.2 Ermittlung der Maße der Probekörper Die Dicke des Probekörpers ist an den nach Bild 2 dargestellten Positionen im Klemmbereich - insgesamt 8 Positionen je Probekörper - auf 0,02 mm zu messen. Der Mittelwert ist zu bestimmen und für die nachfolgenden Berechnungen zu verwenden. Nach Möglichkeit sollte zusätzlich die Dicke des Probekörpers in der Nähe des Dehnungsmessstreifens bestimmt werden.

7.3 Prüfgeschwindigkeit Wo es zutrifft, ist die Prüfgeschwindigkeit nach der Internationalen Produktnorm für den untersuchten Werkstoff einzustellen. Fehlt diese Information, muss die Prüfgeschwindigkeit v = 4 mm/min betragen.

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DIN SPEC 4885:2014-01

7.4 Messwerterfassung Während des Schubversuchs sind die Zugkraft und die zugehörigen Dehnungen εv (auf der Vorderseite des Probekörpers) und εh (auf der Rückseite des Probekörpers) aufzuzeichnen. Bei Verwendung eines optischen 3D-Messsystems ist die Dehnung auf der Vorderseite des Probekörpers aufzuzeichnen.

7.5 Beendigung des Versuches Die Prüfung ist beendet, wenn eine der drei folgenden Versagensarten eingetreten ist (siehe Bild 3): a)

Es tritt ein globales Maximum im Kraftverlauf auf. Die korrespondierende Schubspannung wird als Schubfestigkeit definiert.

b)

Es treten Zwischenfaserbrüche (ZfB) auf. Damit ist eine definierte Krafteinleitung in die Probe nicht mehr möglich. Die Schubspannung, die der Zugkraft beim ersten ZfB entspricht, wird als Schubfestigkeit definiert.

c)

Es tritt kein weiterer erkennbarer Anstieg der Zugkraft auf. Als Schubfestigkeit wird der Punkt auf der Schubspannungs-/Schubverformungskurve definiert [zu G12 siehe Gleichung (6)], der folgende Bedingung erfüllt:

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 τ 12     γ 12  = 0,02 G12

(2)

Legende τ12 γ12 G12 a b c

Schubspannung Schubverformung Schubmodul (bzw. Sekantenmodul) in der Lagenebene globales Maximum Zwischenfaserbrüche  τ 12     γ 12  = 0,02 G12 Bild 3 — Schubspannungs-/Schubverformungs-Kurve

1

DIN SPEC 4885:2014-01

7.6 Versagensart Die Versagensart ist zu prüfen und anzugeben (siehe auch 7.5).

8 8.1

Berechnung und Angabe der Ergebnisse Die Schubspannung in der Lagenebene τ12 in MPa ist nach Gleichung (3) zu berechnen:

τ 12 =

F bh

(3)

Dabei ist F

der Augenblickswert der Zugkraft in N;

b

die Breite des Schubfeldes in mm;

h

die Dicke des Probekörpers in mm.

8.2

Die Schubfestigkeit in der Lagenebene τ12M in MPa ist nach Gleichung (4) zu berechnen:

τ 12M = f

Fm bh

(4)

Dabei ist Fm die Zugkraft, die bei der nach 7.5 definierten Beendigung des Versuches vorliegt, in N; f

der Faktor in Abhängigkeit der Faserorientierung des Probekörpers: f = 1,03 in 0°-Orientierung und f = 1 in 0°/90°-Orientierung.

ANMERKUNG Aufgrund nicht vollständig homogener Spannungsverteilungen innerhalb von Probekörpern in einer 0°-Orientierung wird die Schubfestigkeit um den Faktor 1,03 korrigiert (siehe [5]).

8.3

Die Schubverformung ist nach Gleichung (5) zu berechnen:

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γ = ε v + εh

(5)

Bei Verwendung eines optischen Messsystems ist für die Schubverformung 2 ε v heranzuziehen. 8.4 Der Schubmodul (Sekantenmodul) in der Lagenebene G12 in MPa (siehe Bild 3) ist nach Gleichung (6) zu berechnen:

G12 = 1,076

′′ − τ 12 ′ τ 12 ′′ − γ 12 ′ γ 12

(6)

Dabei ist

′ die Schubspannung bei einer Schubverformung von γ 12 ′ = 0,001; τ 12 ′′ die Schubspannung bei einer Schubverformung von γ 12 ′′ = 0,005. τ 12 ANMERKUNG Aufgrund nicht vollständig homogener Spannungsverteilungen innerhalb des Probekörpers wird die Schubsteifigkeit um den Faktor 1,076 korrigiert (siehe [5]).

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DIN SPEC 4885:2014-01

8.5 Es werden der arithmetische Mittelwert und die Standardabweichung der einzelnen Schubfestigkeiten und der Schubmoduln ermittelt. Falls gefordert, ist der 95%ige Vertrauensbereich für den Mittelwert nach dem in ISO 2602 beschriebenen Verfahren zu ermitteln.

9

Prüfbericht

Der Prüfbericht muss mindestens folgende Angaben enthalten: a)

eine Verweisung auf diese DIN SPEC (d. h. DIN SPEC 4885);

b)

die vollständige Beschreibung des Werkstoffes, einschließlich Typ, Ursprung, Bezeichnungsnummer des Herstellers, Form und Vorgeschichte, soweit diese bekannt sind;

c)

die Genauigkeitsklasse der Prüfmaschine (nach ISO 5893);

d)

Hersteller und Typ des Schubrahmens;

e)

die Art der Probekörperherstellung;

f)

die Dicke der Probekörper;

g)

die Anzahl der geprüften Probekörper;

h)

die Versuchsbedingungen und Vorbehandlungsverfahren, falls zutreffend;

i)

die Art der verwendeten Dehnungsmessung;

j)

die einzelnen Bestimmungen, einschließlich Schubspannungs-/Schubverformungs-Diagramme, wenn gefordert;

k)

die Mittelwerte und die Standardabweichung der einzelnen Bestimmungen;

l)

den 95%igen Vertrauensbereich der Mittelwerte, wenn gefordert;

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m) die Versagensarten; n)

die Angabe, ob Probekörper verworfen wurden und falls ja, Begründung für das Verwerfen;

o)

alle Abweichungen von dieser DIN SPEC sowie alle Umstände, die die Prüfergebnisse beeinflussen können;

p)

das Datum der Messung.

1

DIN SPEC 4885:2014-01

Literaturhinweise [1] DIN 863-1, Prüfen geometrischer Größen — Meßschrauben — Normalausführung; Begriffe, Anforderungen, Prüfung

Teil 1:

Bügelmeßschrauben,

[2] DIN 53399, Prüfung von faserverstärkten Kunststoffen; Schubversuch an ebenen Probekörpern [3] DIN EN ISO 2812 (alle Teile), Beschichtungsstoffe — Bestimmung der Beständigkeit gegen Flüssigkeiten [4] DIN EN ISO 14129, Faserverstärkte Kunststoffe — Zugversuch an 45°-Laminaten zur Bestimmung der Schubspannungs/Schubverformungs-Kurve des Schubmoduls in der Lagenebene [5] Basan, Ricardo: Untersuchung der intralaminaren Schubeigenschaften von Faserverbundwerkstoffen mit Epoxidharzmatrix unter Berücksichtigung nichtlinearer Effekte. BAM-Dissertationsreihe, Berlin, Band 74, ISBN 978-3-9814281-3-1, 2001.

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[6] Trappe, Volker; Basan, Ricardo; Grasse, Fabian: Bestimmung der Schubeigenschaften von Faserverbundwerkstoffen mittels eines Schubrahmens. Deutscher Luft- und Raumfahrtkongress, Aachen, ISSN 1868-8764, 2009.

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DIN SPEC 4885:2014-01

— Leerseite —

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DIN SPEC 4885:2014-01

Contents Page

Foreword ..............................................................................................................................................................3 Introduction .........................................................................................................................................................4 1

Scope ......................................................................................................................................................4

2

Normative references ............................................................................................................................4

3

Terms and definitions ...........................................................................................................................4

4

Principle ..................................................................................................................................................6

5

Test apparatus .......................................................................................................................................6

6

Test specimens ......................................................................................................................................8

7

Procedure ............................................................................................................................................ 10

8

Calculation and expression of results .............................................................................................. 12

9

Test report ........................................................................................................................................... 13

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Bibliography ..................................................................................................................................................... 14

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DIN SPEC 4885:2014-01

Foreword This DIN SPEC has been developed according to the PAS (Publicly Available Specification) procedure. DIN SPECs developed according to the PAS procedure are prepared in workshops that do not necessarily include all stakeholders. Attention is drawn to the possibility that some elements of this document may be the subject of patent rights. DIN [and/or DKE] shall not be held responsible for identifying any or all such patent rights. The following initiators and authors developed and approved this document: −

BASF SE, Dr.-Ing. Henrik Schmidt;

−

BMW AG, Dr.-Ing. Joachim Starke, Jan Paulus;

−

Carbon Composites e. V., Franz Fendt;

−

Grasse Zur Ingenieurgesellschaft mbH, Dr.-Ing. Fabian Grasse, Malte Zur.

No draft of this DIN SPEC has been published. DIN SPECs do not belong to the German body of standards. At present, there are no standards dealing with this topic. Although every effort has been made to ensure the correctness, reliability and accuracy of technical and nontechnical descriptions, the workshop is not able to give an explicit or implied guarantee for the correctness of the document. Anyone who applies this document shall be aware that the workshop cannot be held liable for damages or losses of any kind whatsoever. Application of the present DIN SPEC does not relieve users of their responsibility for their own actions, and they apply this document at their own risk.

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DIN SPEC 4885:2014-01

Introduction This DIN SPEC covers all fibre-reinforced plastic composites which fail in the required manner. Short and long fibre-reinforced plastic composites can also be tested on the lines of this DIN SPEC. The test using a shear frame is suitable for determining the shear modulus and shear strength of the materials with shear strains of 5 % or more.

1

Scope

This DIN SPEC specifies a method of using a shear test apparatus for measuring the in-plane shear stress/shear strain response, shear modulus and shear strength of continuous-fibre-reinforced plastic composite materials with fibre orientations of 0° and 0°/90°. This method is suitable for use with thermoset and thermoplastic matrix laminates made from unidirectional layers/non-woven fabrics and/or fabrics including unidirectional fabrics, with the fibres oriented at 0° and 0°/90° to the specimen axis, where the lay-up is symmetrical and balanced about the specimen midplane. The method is suitable for determining shear properties in both the linear and non-linear load-deformation range even at shear strains greater than 5 %. In particular, the method lends itself to determining the maximum shear strength even at shear strains > 5 %.

2

Normative references

The following documents, in whole or in part, are normatively referenced in this document and are indispensable for its application. For dated references, only the edition cited applies. For undated references, the latest edition of the referenced document (including any amendments) applies. DIN EN ISO 291, Plastics — Standard atmospheres for conditioning and testing DIN EN ISO 2818, Plastics — Preparation of test specimens by machining

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ISO 1268 (all parts), Fibre-reinforced plastics — Methods of producing test plates ISO 2602, Statistical interpretation of test results — Estimation of the mean — Confidence interval ISO 5893, Rubber and plastics test equipment — Tensile, flexural and compression types (constant rate of traverse) — Specification

3

Terms and definitions

For the purposes of this document, the following terms and definitions apply. 3.1 plane plane spanned by coordinate axes 1 and 2 Note 1 to entry:

4

See figure 1.

DIN SPEC 4885:2014-01

3.2 in-plane shear stress τ12 stress obtained by dividing the instantaneous tensile load acting on the shear frame by the specimen cross-sectional area Note 1 to entry:

Cross-sectional area see 8.1.

Note 2 to entry:

The in-plane shear stress is stated in MPa

3.3 in-plane shear strength τ12M maximum value for the shear stress Note 1 to entry:

See also 8.2.

Note 2 to entry:

The in-plane shear strength is stated in MPa.

3.4 shear strain γ12 sum of the individual components of the total shear strain of the test specimen Note 1 to entry:

See also 8.3.

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3.5 in-plane shear modulus in-plane chord modulus G12 ′′ and τ 12 ′′ = 0,005 and ′ divided by the corresponding shear strain difference γ 12 shear stress difference τ 12 ′ = 0,001 γ 12 Note 1 to entry:

See also 8.4 and Figure 3.

Note 2 to entry:

The in-plane shear modulus is stated in MPa.

3.6 direction of coordinate axis 1 < test specimen > direction parallel to the longitudinal axis of the test machine Note 1 to entry:

The fibres oriented at an angle of 0° are in this direction.

Note 2 to entry:

See Figure 1 and Figure 2.

3.7 direction of coordinate axis 2 < test specimen > direction orthogonal to the longitudinal axis of the test machine Note 1 to entry:

The fibres oriented at an angle of 90° are in this direction.

Note 2 to entry:

See Figure 1 and Figure 2.

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DIN SPEC 4885:2014-01

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Principle

A square test specimen with recessed corners and reinforcing fibres oriented at 0° and 0°/90° to the specimen axis is held in a shear frame and subjected to pure shear loading. In order to determine the shear modulus and the shear strength, the tensile load acting on the shear frame and the associated shear strain are measured. In this method, a test specimen is put in a state of pure shear, thus enabling testing to be carried out without interference by superimposed shear and other stresses, and, as a consequence, ensuring that the material characteristics are determined in a reproducible manner. The test specimen is gripped along all its sides by a device exerting uniform, reproducible pressure and that is equipped with a follower mechanism enabling a constant gripping force to be maintained. The test specimens have no free edges, and therefore there are no load re-distribution effects which might otherwise affect the test results. Because the maximum shear stress occurs in the central portion of the test specimen, no invalid test results owing to material failure of the specimen at the edges where it is gripped are obtained.

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Test apparatus

5.1 Tensile test machine 5.1.1

General

The tensile test machine shall be constructed in accordance with ISO 5893 and be in compliance with the requirements specified in 5.1.2 and 5.1.3 below. 5.1.2

Rate of traverse

In accordance with ISO 5893, the rate of traverse (speed of testing) v shall be kept constant. 5.1.3

Load indicator

The tensile test machine shall have a load indicator such that the error in the indicated force is less than ± 1 % of the full-scale reading (see ISO 5893).

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5.2 Shear frame The specimen is placed inside two identical halves of a shear frame and is held in place by means of a device which controls the grip on the specimen in its plane along all its sides and ensures that this clamping force is applied to the specimen in a uniform and reproducible manner throughout the test. The kinematic principle of the shear frame – deforming the square test specimen into a rhombic specimen – is shown in Figure 1. Figure 2 shows the part of the specimen gripped in the frame and also the free shear area.

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Key

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1 2 a b c d e f

direction of coordinate axis 1 direction of coordinate axis 2 Support Movement Load introduction Pressure from grip Displacement hindered by symmetry Force Hinge joint Specified translation Hindered translation Coupled translation Coupled translation Pressure Figure 1 — Kinematic principle of the shear frame

5.3 Strain measurement The procedure requires measurement of the strain at an angle of 45° to the coordinate axes (see Figure 2). When using strain gauges, these are to be placed on the front and rear faces of the test specimen. The size and properties of the gauges shall be selected on the basis of the specimen used. Strain gauges that line up as shown in Figure 2 shall be accurate to ± 1 % of the full scale. Gauges, surface preparation and bonding agents shall be chosen to give adequate performance on the materials under test, and suitable strainrecording equipment shall be used. When using an optical 3-D measurement system, it is sufficient to measure the strain on one side of the specimen. The strain shall be measured to suit the arrangement of the strain gauge (see Figure 2).

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DIN SPEC 4885:2014-01

5.4 Micrometer A micrometer or equivalent measuring device with a maximum permitted measurement error of ≤ 0,01 mm shall be used to measure the test specimen thickness h. The micrometer shall have contact faces appropriate to the surface being measured (i.e. flat faces for plane, polished surfaces and hemispherical faces for irregular surfaces).

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Test specimens

6.1 Shape and dimensions Test speciment dimensions are shown in Figure 2. The test specimen shall be (165 ± 0,5) mm wide and (165 ± 0,5) mm long. The shear area that is decisive for the shear test shall be at least (105 ± 0,5) mm wide and (105 ± 0,5) mm long. The flatness of the test specimen shall be at least ≤ 1 mm. Unless otherwise specified, the thickness of the specimens shall be (4 ± 0,2) mm. The thickness of the specimen shall be selected so as to prevent its out-of-plane deflection. Deflection is permitted if, up to failure, the difference between the shear strain recorded on the two faces of the specimen during the shear test satisfies equation (1):

ε v − εh ≤ 0,1 ε v + εh

(1)

where εv

is the strain on the front face of the specimen;

εh

is the strain on the rear face of the specimen.

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The size of the free shear area, as shown in Figure 2, shall be checked by means of the diagonal dimension (148,5 ± 0,5) mm.

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Dimensions in millimetres

Key 1 2 a b c d

direction of coordinate axis 1 direction of coordinate axis 2 Position for thickness measurement Area covered by grip Free shear area Strain measurement Figure 2 —Test specimen geometry showing the fibre axes

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6.2 Preparation of test specimens A panel with the specified balanced and symmetrical fibre orientation of 0° and 0°/90° to the specimen axis shall be prepared in accordance with ISO 1268 or another specified/agreed procedure. Individual test specimens or series of test specimens shall be cut to the required size. Some parameters for machining are specified in DIN EN ISO 2818.

6.3 Checking the test specimens The test specimen surfaces shall be free of scratches, pits, sink marks and flashes. The test specimens shall be free of delaminations, and be flat and free of twist. These requirements shall be checked visually using straight-edges, squares and flat plates, and by measuring with micrometer callipers. Specimens showing measurable or observable departures from one or more of these requirements shall be rejected or machined to the required size and shape before testing.

6.4 Number of test specimens 6.4.1

At least five test specimens shall be tested.

The confidence interval (95 % probability) shall be calculated in accordance with ISO 2602. 6.4.2 The results from test specimens that rupture at or inside the grips (i.e. failure due to clamping) shall be rejected and new specimens tested in their place.

6.5 Conditioning of specimens Where applicable, the test specimens shall be conditioned as specified in the international product standards for the material under test. In the absence of such information, the most appropriate conditions from DIN EN ISO 291 shall be selected unless agreed otherwise by the interested parties.

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Procedure

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7.1 Test atmosphere Where applicable, the test specimens shall be tested as specified in the international product standards for the material under test. In the absence of such information, the most appropriate conditions from DIN EN ISO 291 shall be selected unless agreed otherwise by the interested parties (e.g. for testing at higher or lower temperatures).

7.2 Determining the test specimen dimensions The thickness of the test specimen shall be measured to the nearest 0,02 mm at the positions in the area covered by the grips – a total of 8 positions per test specimen – as shown in Figure 2. The mean value shall be determined and used for the subsequent calculations. If possible, the thickness of the specimen in the vicinity of the strain gauge should also be measured.

7.3 Rate of traverse (speed of testing) Where applicable, the rate of traverse shall be set to conform to the international product standard for the material under test. In the absence of this information, the rate of traverse v shall be 4 mm/min.

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DIN SPEC 4885:2014-01

7.4 Data collection The tensile load and the corresponding strains εv (on the front face of the test specimen) and εh (on the rear face of the specimen) shall be recorded throughout the test. When using an optical 3-D measurement system, the strain on the front face of the specimen is to be recorded.

7.5 Test termination The test is terminated when any one of the three following failure modes has been met (see Figure 3): a)

The force diagram shows a global maximum. The corresponding shear stress is defined as being the shear strength.

b)

Breaks between fibres (German Zwischenfaserbruch, abbreviated as ZfB) occur. After this, it is no longer possible to transmit a defined force into the specimen. The shear stress at the time of the first break between fibres occurs is defined as being the shear strength.

c)

There is no further noticible increase of the tensile load. The point on the shear stress/shear strain diagram that meets the following conditions is defined as being the shear strength [for G12 see equation (6)]:

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 τ 12     γ 12  = 0,02 G12

(2)

Key τ12 γ12 G12 a b c

Shear stress Shear strain In-plane shear modulus (or chord modulus) Global maximum Breaks between fibres  τ 12     γ 12  = 0,02 G12 Figure 3 — Shear stress/shear strain diagram

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DIN SPEC 4885:2014-01

7.6 Failure mode The failure mode shall be checked and recorded (see also 7.5).

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Calculation and expression of results The in-plane shear stress τ12, expressed in MPa, shall be calculated using equation (3):

8.1

τ 12 =

F bh

(3)

where F

is the instantaneous load, in N;

b

is the shear area width, in mm;

h

is the test specimen thickness, in mm. The in-plane shear strength τ12M, expressed in MPa, shall be calculated using equation (4):

8.2

τ 12M = f

Fm bh

(4)

where Fm is the load at which the test terminates as defined in 7.5, in N; f

is a factor dependent on the orientation of the fibres in the test specimen: f = 1,03 for 0° orientation and f = 1 for 0°/90° orientation.

NOTE As the stresses are not evenly distributed throughout the test specimen for 0° orientation, the shear stiffness is corrected by applying a factor of 1,03 (see [5]).

8.3

The shear strain shall be calculated using equation (5):

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γ = ε v + εh

(5)

2 ε v shall be applied to take shear deformation into account when using an optical measuring system. 8.4 The in-plane shear modulus (chord modulus), G12, expressed in MPa (see Figure 3), shall be calculated using equation (6):

G12 = 1,076

′′ − τ 12 ′ τ 12 ′′ − γ 12 ′ γ 12

(6)

where

′ is the shear stress at a shear strain γ 12 ′ = 0,001; τ 12 ′′ is the shear stress at a shear strain γ 12 ′′ = 0,005; τ 12 NOTE As the stresses are not evenly distributed throughout the test specimen, the shear stiffness is corrected by applying a factor of 1,076 (see [5]).

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DIN SPEC 4885:2014-01

8.5 The arithmetic mean and standard deviation of the individual shear strength and shear modulus values thus determined shall be calculated. If required, the 95 % confidence interval of the mean value is to be determined using the procedure given in ISO 2602.

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Test report

The test report shall include the following information: a)

a reference to this DIN SPEC (i.e. DIN SPEC 4885);

b)

all details necessary for complete identification of the material tested, including type, source, manufacturer’s code number, form and previous history, where these are known;

c)

the accuracy class of the test machine (according to ISO 5893);

d)

manufacturer and type of shear frame;

e)

the method of preparing the specimens;

f)

the thickness of the specimens;

g)

the number of specimens tested;

h)

the test conditions and conditioning procedures, where applicable;

i)

the type of strain measurement used;

j)

the individual determinations, including shear stress/shear strain diagrams, if required;

k)

the mean values and standard deviations of the individual parameters determined;

l)

the 95 % confidence level of the mean values, if required;

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m) the failure modes; n)

a statement as to whether any specimens were rejected and if so, the reasons;

o)

any operation not specified in this DIN SPEC, as well as any circumstances likely to have affected the results;

p)

the date of the test.

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DIN SPEC 4885:2014-01

Bibliography [1] DIN 863-1, Verification of geometrical parameters — Micrometers — Part 1: Standard design micrometer callipers for external measurement — Concepts, requirements, testing [2] DIN 53399, Testing of reinforced plastics — Shear test on plane specimens [3] DIN EN ISO 2812 (all parts), Paints and varnishes — Determination of resistance to liquids [4] DIN EN ISO 14129, Fibre-reinforced plastic composites — Determination of the in-plane shear stress/shear strain response, including the in-plane shear modulus and strength, by ± 45° tension test method [5] Dissertation Basan, Ricardo: Untersuchung der intralaminaren Schubeigenschaften von Faserverbundwerkstoffen mit Epoxidharzmatrix unter Berücksichtigung nichtlinearer Effekte. BAMDissertationsreihe, Berlin, Vol. 74, ISBN 978-3-9814281-3-1, 2001.

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[6] Trappe, Volker; Basan,Ricardo; Grasse, Fabian: Bestimmung der Schubeigenschaften von Faserverbundwerkstoffen mittels eines Schubrahmens. Deutscher Luft- und Raumfahrtkongress, Aachen, ISSN 1868-8764, 2009.

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