Hybride Werkstoffsysteme: Systematische Betrachtung und Bewertung der physikalischen Wirkmechanismen [Vorläufige Version]

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. ... mehrIn 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.

Hybrid material systems result from the specific association of different materials and their individual characteristics. As a result, specific property profiles can be achieved which would not be attainable with a monolithic material. Due to the large number of variation options, hybrid materials offer an outstanding potential to fulfill various requirements which are imposed on components.
For optimized and efficient design of hybrid material systems for structural components, a profound fundamental understanding regarding the interaction of the different materials is of great importance. ... mehrThis work systematically investigates and assesses adhesively bonded hybrid material systems consisting of different sheet metals or metal and fiber-reinforced composite layers under uniaxial tensile loading. The appearing deformation and failure mechanisms and especially the hybridization-induced changes of these material-specific effects are analyzed with experimental and numerical methods. For metal-based hybrid material systems it is shown, that the physical mechanisms localization hindrance, bridging effect and multiple neck formation contribute to strain path changes within the individual layers. In specific layers, these changes of the deformation behavior leads to stabilization of plastic instability and, based on that, to a uniform elongation improvement of up to 25 percentage points in comparison to the monolithic material. For hybrid material solutions constructed of sheet metals and fiber-reinforced composites, a hybridization-induced lateral contraction interaction between the bonding partners can be detected. With an increasing number of unidirectional fiber-reinforced composite layers oriented perpendicular to the loading direction, the drift of the strain path from uniaxial to multiaxial and the lateral contraction hindrance within the metal layer become increasingly pronounced. In the course of these investigations, it is shown that the manifestation of the mechanism lateral contraction hindrance is directly related to the uniform elongation of the sheet metal.
Based on the obtained knowledge regarding physical mechanisms, a universal mechanismbased analytic design strategy is developed for selected hybrid material systems. This analytic model is validated on material level by applying it to a b-pillar. The comparison of analytically, experimentally and numerically determined results shows a good agreement. Thereby, the design methodology enables an efficient and reliable derivation of hybrid material solutions with locally tailored properties. Furthermore, in early stages of development the experimental and numerical effort can be significantly reduced.