Verbundwerkstoffe

Eine in eine Matrix eingebettete Kurzfaser wird in Faserrichtung auf Zug belastet. Welche Aussage über die Verteilung der Zugspannung in der Faser trifft zu? Die Grenzfläche gleite nicht und übertrage die Last mit konstanter Schubspannung.

  1. AAn den Enden nahezu null, mit wachsendem Abstand von ihnen durch Grenzflächenschub zunehmend und bei ausreichender Länge in der Mitte konstant
  2. BÜber die ganze Länge gleichförmig, weil die Schubspannung an der Grenzfläche konstant ist, und unabhängig von der Faserlänge
  3. CAn beiden Enden maximal, weil die Stirnflächen die Last direkt aufnehmen, und zur Fasermitte hin abnehmend
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Lösung: A. An den Enden nahezu null, mit wachsendem Abstand von ihnen durch Grenzflächenschub zunehmend und bei ausreichender Länge in der Mitte konstant

Über die Stirnflächen der Faser wird kaum Last übertragen, daher ist die Spannung in der Faser an den Enden nahezu null. Mit zunehmendem Abstand vom Ende wird über die Grenzflächenschubspannung τ nach und nach Last eingeleitet, und die Spannung steigt nahezu proportional zum Abstand vom Ende. Ist die Faser lang genug, gleichen sich ab einem bestimmten Abstand die Dehnungen von Faser und Matrix an, und die Spannung erreicht einen konstanten Höchstwert. Die Länge, die nötig ist, damit dieser Höchstwert die Zugfestigkeit der Faser erreicht, ist die kritische Faserlänge lc; die Festigkeit wird im Abstand lc/2 vom Ende erreicht. Ist die Faser viel länger als lc, wird der Anteil der gering beanspruchten Enden klein, und man erzielt eine Verstärkungswirkung ähnlich wie mit Endlosfasern. Eine konstante Grenzflächenschubspannung bedeutet, dass die Spannung in der Faser mit konstanter Rate zunimmt, nicht aber, dass die Spannung selbst gleichförmig ist. Die Aussage, die Last werde über die Stirnflächen eingeleitet und sei an den Enden maximal, ist umgekehrt.

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