Bruchzähigkeit

Bruchzähigkeitsprüfungen werden durchgeführt, um den Widerstand eines Materials gegen Versagen durch Rissbildung zu quantifizieren. Das Ergebnis solcher Prüfungen ist entweder ein einwertiges Maß für die Bruchzähigkeit oder eine Widerstandskurve. Widerstandskurven sind Diagramme, in denen Bruchzähigkeitsparameter (K, J usw.) gegen Parameter aufgetragen werden, die die Rissausbreitung charakterisieren. Die Widerstandskurve oder die einwertige Bruchzähigkeit wird auf der Grundlage des Bruchmechanismus und der Stabilität des Bruchs ermittelt. Die Bruchzähigkeit ist eine entscheidende mechanische Eigenschaft für technische Anwendungen. Zur Messung der Bruchzähigkeit von Werkstoffen gibt es verschiedene Prüfverfahren, bei denen im Allgemeinen eine gekerbte Probe in einer der verschiedenen Konfigurationen verwendet wird. Eine weit verbreitete standardisierte Prüfmethode ist der Kerbschlagbiegeversuch nach Charpy, bei dem eine Probe mit einer V-Kerbe oder einer U-Kerbe einem Schlag von hinten ausgesetzt wird. Weit verbreitet sind auch Rissverschiebungsprüfungen wie Dreipunkt-Biegeversuche, bei denen vor dem Aufbringen der Last dünne Risse in die Probekörper eingebracht werden.

PrüfanforderungenBearbeiten

Wahl der ProbeBearbeiten

Die ASTM-Norm E1820 für die Messung der Bruchzähigkeit empfiehlt drei Arten von Proben für die Bruchzähigkeitsprüfung: die einseitige Biegeprobe, die kompakte Zugprobe und die scheibenförmige kompakte Zugprobe. Die Werte dieser Dimensionen werden durch die Anforderungen der jeweiligen Prüfung, die an der Probe durchgeführt wird, bestimmt. Die überwiegende Mehrheit der Prüfungen wird entweder in kompakter oder in SENB-Konfiguration durchgeführt. Für die gleichen charakteristischen Abmessungen benötigt die kompakte Konfiguration eine geringere Materialmenge als die SENB-Konfiguration.

MaterialausrichtungBearbeiten

Die Bruchausrichtung ist wichtig, da die meisten technischen Werkstoffe nicht isotrop sind. Aus diesem Grund kann es im Material Schwachstellen geben, und das Risswachstum entlang dieser Ebene kann im Vergleich zu anderen Richtungen leichter sein. Aufgrund dieser Bedeutung hat die ASTM eine standardisierte Methode zur Angabe der Rissorientierung in Bezug auf die Schmiedeachse entwickelt. Die Buchstaben L, T und S werden verwendet, um die Längs-, Quer- und kurze Querrichtung zu bezeichnen, wobei die Längsrichtung mit der Schmiedeachse übereinstimmt. Die Orientierung wird mit zwei Buchstaben definiert, wobei der erste die Richtung der Hauptzugspannung und der zweite die Richtung der Rissausbreitung angibt. Im Allgemeinen erhält man die untere Grenze der Zähigkeit eines Materials in der Orientierung, in der der Riss in Richtung der Schmiedeachse wächst.

VorrisseBearbeiten

Für genaue Ergebnisse ist ein scharfer Riss vor der Prüfung erforderlich. Bearbeitete Kerben und Schlitze erfüllen dieses Kriterium nicht. Die effektivste Methode, einen ausreichend scharfen Riss zu erzeugen, ist die Anwendung zyklischer Belastung, um einen Ermüdungsriss aus einem Schlitz zu erzeugen. Ermüdungsrisse werden an der Spitze des Schlitzes eingeleitet und wachsen gelassen, bis die Risslänge den gewünschten Wert erreicht.

Die zyklische Belastung wird sorgfältig gesteuert, um die Zähigkeit des Werkstoffs nicht durch Kaltverfestigung zu beeinträchtigen. Dazu werden zyklische Belastungen gewählt, die eine viel kleinere plastische Zone als die plastische Zone des Hauptbruchs erzeugen. Zum Beispiel sollte nach ASTM E399 die maximale Spannungsintensität Kmax nicht größer als 0,6 K Ic sein {\displaystyle K_{\text{Ic}}}

in der Anfangsphase und weniger als 0,8 K Ic {\displaystyle K_{\text{Ic}}}

, wenn sich der Riss seiner endgültigen Größe nähert.

In bestimmten Fällen werden Nuten in die Seiten einer Bruchzähigkeitsprobe gefräst, so dass die Dicke der Probe auf mindestens 80 % der ursprünglichen Dicke entlang des beabsichtigten Pfades der Rissausdehnung reduziert wird. Der Grund dafür ist die Aufrechterhaltung einer geraden Rissfront während der R-Kurven-Prüfung.

Im Folgenden werden die vier wichtigsten genormten Prüfungen beschrieben, wobei die KIc- und KR-Prüfungen für die linear-elastische Bruchmechanik (LEFM) und die J- und JR-Prüfungen für die elastisch-plastische Bruchmechanik (EPFM) gelten.

Bestimmung der Bruchzähigkeit bei ebener DehnungBearbeiten

Wenn sich ein Material vor dem Versagen linear elastisch verhält, Wenn sich ein Material vor dem Versagen linear elastisch verhält, so dass die plastische Zone im Vergleich zur Probengröße klein ist, kann ein kritischer Wert des Modus-I-Spannungsintensitätsfaktors ein geeigneter Bruchparameter sein. Diese Methode liefert ein quantitatives Maß für die Bruchzähigkeit in Form des kritischen Spannungsintensitätsfaktors der ebenen Dehnung. Die Prüfung muss nach Abschluss validiert werden, um sicherzustellen, dass die Ergebnisse aussagekräftig sind. Die Probengröße ist festgelegt und muss groß genug sein, um ebene Dehnungsbedingungen an der Rissspitze zu gewährleisten.

Die Probendicke wirkt sich auf den Grad der Beanspruchung an der Rissspitze aus, was wiederum den Wert der Bruchzähigkeit beeinflusstDie Bruchzähigkeit nimmt mit zunehmender Probengröße ab, bis ein Plateau erreicht wird. Die Anforderungen an die Probengröße in ASTM E 399 sollen sicherstellen, dass K Ic {\displaystyle K_{\text{Ic}}}

Messungen dem ebenen Dehnungsplateau entsprechen, indem sichergestellt wird, dass die Probe unter nominell linearen elastischen Bedingungen bricht. Das heißt, die plastische Zone muss im Vergleich zum Probenquerschnitt klein sein. Nach der derzeitigen Fassung von E 399 sind vier Probenkonfigurationen zulässig: die kompakte, die SE(B)-, die bogenförmige und die scheibenförmige Probe. Probekörper für K Ic {\displaystyle K_{\text{Ic}}

werden in der Regel mit einer Breite W hergestellt, die dem Doppelten der Dicke B entspricht. Sie sind durch Ermüdung vorgerissen, so dass das Verhältnis zwischen Risslänge und -breite (a /W) zwischen 0,45 und 0,55 liegt. Die Proben sind also so ausgelegt, dass alle Schlüsselmaße, a, B und W-a, annähernd gleich sind. Diese Konstruktion führt zu einer effizienten Materialnutzung, da die Norm vorschreibt, dass jede dieser Abmessungen im Vergleich zur plastischen Zone groß sein muss. Bruchzähigkeitsprüfung unter ebener Dehnung

Bei der Durchführung einer Bruchzähigkeitsprüfung sind die gebräuchlichsten Probekörperkonfigurationen die SENB- (Single Edge Notch Bend) oder Dreipunktbiegung und die CT-Proben (Compact Tension). Versuche haben gezeigt, dass im Allgemeinen Bedingungen mit ebener Dehnung vorherrschen, wenn:

B , a ≥ 2,5 ( K I C σ YS ) 2 {\displaystyle B,a\geq 2,5\left({\frac {K_{IC}}{\sigma _{\text{YS}}}}\right)^{2}}

wobei B {\displaystyle B}

die minimal erforderliche Dicke ist, K Ic {\displaystyle K_{\text{Ic}}}

die Bruchzähigkeit des Werkstoffs und σ YS {\displaystyle \sigma _{\text{YS}}}

ist die Streckgrenze des Werkstoffs.

Die Prüfung wird durch gleichmäßige Belastung mit einer solchen Geschwindigkeit durchgeführt, dass KI von 0,55 auf 2,75 (MPa m {\displaystyle {\sqrt {m}}}

)/s ansteigt. Während der Prüfung werden die Last und die Rissöffnungs-Verschiebung (CMOD) aufgezeichnet, und die Prüfung wird fortgesetzt, bis die maximale Last erreicht ist. Die kritische Last <PQ wird anhand des Diagramms von Last und CMOD berechnet. Die vorläufige Zähigkeit KQ ist gegeben als K Q = P Q W B f ( a / W , . . . ) {\displaystyle K_{Q}={\frac {P_{Q}}{{\sqrt {W}}B}}f(a/W,…)}

.

Der Geometriefaktor f ( a / W , . . . ) {\displaystyle f(a/W,…)}

ist eine dimensionslose Funktion von a/W und wird in der Norm E 399 in Polynomform angegeben. Der Geometriefaktor für die kompakte Prüfgeometrie ist hier zu finden. Dieser vorläufige Zähigkeitswert wird als gültig anerkannt, wenn die folgenden Anforderungen erfüllt sind: m i n ( B , a ) > 2,5 ( K Q σ YS ) 2 {\displaystyle min(B,a)>2,5\left({\frac {K_{Q}}{\sigma _{\text{YS}}}}\right)^{2}}

und P m a x ≤ 1.1 P Q {\displaystyle P_{max}\leq 1.1P_{Q}}

Wenn ein Material mit unbekannter Bruchzähigkeit geprüft wird, wird eine Probe mit voller Materialquerschnittsdicke geprüft oder die Probe wird auf der Grundlage einer Vorhersage der Bruchzähigkeit dimensioniert. Erfüllt der aus der Prüfung resultierende Bruchzähigkeitswert nicht die Anforderung der obigen Gleichung, muss die Prüfung mit einer dickeren Probe wiederholt werden. Zusätzlich zu dieser Dickenberechnung gibt es in den Prüfspezifikationen mehrere andere Anforderungen, die erfüllt sein müssen (z. B. die Größe der Scherlippen), bevor eine Prüfung einen KIC-Wert ergeben kann.

Wenn eine Prüfung die Anforderungen an die Dicke und andere Anforderungen an die glatte Dehnung nicht erfüllt, erhält der erzeugte Bruchzähigkeitswert die Bezeichnung Kc. Manchmal ist es nicht möglich, eine Probe herzustellen, die die Anforderungen an die Dicke erfüllt. Wenn zum Beispiel eine relativ dünne Platte mit hoher Zähigkeit geprüft wird, ist es möglicherweise nicht möglich, eine dickere Probe mit ebenen Dehnungsbedingungen an der Rissspitze herzustellen.

Bestimmung der R-Kurve, K-REdit

Die Probe mit stabilem Risswachstum zeigt einen zunehmenden Trend der Bruchzähigkeit mit zunehmender Risslänge (duktile Rissausdehnung). Diese Darstellung der Bruchzähigkeit im Verhältnis zur Risslänge wird als Widerstandskurve (R) bezeichnet. Die ASTM E561 beschreibt ein Verfahren zur Bestimmung der Kurven von Zähigkeit und Risswachstum in Werkstoffen. Diese Norm enthält keine Beschränkung hinsichtlich der Mindestdicke des Materials und kann daher für dünne Bleche verwendet werden. Allerdings müssen die Anforderungen für LEFM erfüllt sein, damit die Prüfung gültig ist. Die Kriterien für LEFM besagen im Wesentlichen, dass die Abmessung in der Ebene im Vergleich zur plastischen Zone groß sein muss. Es besteht ein Missverständnis über den Einfluss der Dicke auf die Form der R-Kurve. Es wird angedeutet, dass bei demselben Material ein dickerer Abschnitt durch ebenen Dehnungsbruch versagt und eine einwertige Bruchzähigkeit aufweist, während der dünnere Abschnitt durch ebenen Spannungsbruch versagt und eine steigende R-Kurve aufweist. Der Hauptfaktor, der die Neigung der R-Kurve steuert, ist jedoch die Bruchmorphologie und nicht die Dicke. In einigen Materialabschnitten ändert sich die Bruchmorphologie von duktilem Reißen zu Spaltung von einem dünnen zu einem dicken Abschnitt; in diesem Fall bestimmt allein die Dicke die Neigung der R-Kurve. Es gibt Fälle, in denen sogar der Bruch bei ebener Verformung zu einem Anstieg der R-Kurve führt, weil die Versagensart „Mikrovoid-Koaleszenz“ ist.

Die genaueste Methode zur Bewertung der K-R-Kurve ist die Berücksichtigung der Plastizität in Abhängigkeit von der relativen Größe der plastischen Zone. Für den Fall, dass die Plastizität vernachlässigbar ist, wird die Last-Verschiebungs-Kurve aus der Prüfung gewonnen und für jeden Punkt die Nachgiebigkeit ermittelt. Die Nachgiebigkeit ist der Kehrwert der Steigung der Kurve, die sich ergibt, wenn die Probe an einem bestimmten Punkt entlastet wird, was bei LEFM als das Verhältnis von Verschiebung zu Last angegeben werden kann. Die Nachgiebigkeit wird verwendet, um die momentane Risslänge über die in der ASTM-Norm angegebene Beziehung zu bestimmen.

Die Spannungsintensität sollte durch Berechnung einer effektiven Risslänge korrigiert werden. Die ASTM-Norm schlägt zwei alternative Ansätze vor. Die erste Methode wird als Irwin’s plastic zone correction bezeichnet. Der Ansatz von Irwin beschreibt die effektive Risslänge a eff {\displaystyle a_{\text{eff}}}

als a eff = a + 1 2 π ( K σ Y S ) 2 {\displaystyle a_{\text{eff}}=a+{\frac {1}{2\pi }}\left({\frac {K}{\sigma _{YS}}\right)^{2}}

Irwins Ansatz führt zu einer iterativen Lösung, da K selbst eine Funktion der Risslänge ist.

Die andere Methode, nämlich die Sekantenmethode, verwendet die in der ASTM-Norm angegebene Gleichung zwischen Nachgiebigkeit und Risslänge, um die effektive Risslänge aus einer effektiven Nachgiebigkeit zu berechnen. Die Nachgiebigkeit an einem beliebigen Punkt der Last-Verschiebungs-Kurve ist im Wesentlichen der Kehrwert der Steigung der Kurve, die sich ergibt, wenn die Probe an diesem Punkt entlastet wird. Bei linear-elastischem Material kehrt die Entlastungskurve zum Ursprung zurück, bei elastisch-plastischem Material jedoch nicht, da hier eine bleibende Verformung vorliegt. Die effektive Nachgiebigkeit an einem Punkt für den elastisch-plastischen Fall ist die Steigung der Linie, die den Punkt und den Ursprung verbindet (d. h. die Nachgiebigkeit, wenn das Material elastisch wäre). Diese effektive Nachgiebigkeit wird verwendet, um ein effektives Risswachstum zu erhalten und der Rest der Berechnung folgt der Gleichung

K I = P W B f ( a eff / W , . . . ) {\displaystyle K_{I}={\frac {P}{{\sqrt {W}}B}}f(a_{\text{eff}}/W,…)}

Die Wahl der Plastizitätskorrektur ist abhängig von der Größe der plastischen Zone. Die ASTM-Norm, die die Widerstandskurve abdeckt, schlägt die Verwendung der Irwin-Methode für kleine plastische Zonen vor und empfiehlt die Verwendung der Secant-Methode, wenn die Risspitzenplastizität stärker ausgeprägt ist. Da die Norm ASTM E 561 keine Anforderungen an die Probengröße oder die maximal zulässige Rissausdehnung enthält, ist die Größenunabhängigkeit der Widerstandskurve nicht gewährleistet. Einige wenige Studien zeigen, dass die Größenabhängigkeit in den experimentellen Daten für die Secant-Methode weniger stark ausgeprägt ist.

Bestimmung von JICEdit

Die Freisetzungsrate der Dehnungsenergie pro Bruchflächeneinheit wird mit der J-Integral-Methode berechnet, die ein Konturpfadintegral um die Rissspitze darstellt, wobei der Pfad auf beiden Rissflächen beginnt und endet. Der J-Zähigkeitswert gibt den Widerstand des Materials in Bezug auf die für das Wachstum eines Risses erforderliche Spannungsenergie an. Der JIC-Zähigkeitswert wird für elastisch-plastische Werkstoffe gemessen. Der einwertige JIC-Wert wird als die Zähigkeit in der Nähe des Beginns der duktilen Rissausdehnung bestimmt (der Einfluss der Kaltverfestigung ist nicht von Bedeutung). Die Prüfung wird mit mehreren Proben durchgeführt, die jeweils unterschiedlich stark belastet und wieder entlastet werden. Daraus ergibt sich die Nachgiebigkeit der Rissöffnung, die zur Bestimmung der Risslänge mit Hilfe der in der ASTM-Norm E 1820 angegebenen Beziehungen verwendet wird, die die J-Integralprüfung abdeckt. Eine andere Methode zur Messung des Risswachstums ist die Markierung der Probe durch Wärmefärbung oder Ermüdungsrissbildung. Die Probe wird schließlich auseinandergebrochen und die Rissausdehnung wird mit Hilfe der Markierungen gemessen.

Die so durchgeführte Prüfung ergibt mehrere Kurven von Last und Rissöffnungsweg (CMOD), die zur Berechnung von J wie folgt verwendet werden:-

J = J e l + J p l {\displaystyle J=J_{el}+J_{pl}}

Das linear-elastische J wird berechnet mit

J e l = K 2 ( 1 – ν 2 ) E {\displaystyle J_{el}={\frac {K^{2}\left(1-\nu ^{2}\right)}{E}}

und K wird bestimmt aus K I = P W B B N f ( a / W , . . . ) {\displaystyle K_{I}={\frac {P}{\sqrt {WBB_{N}}}}f(a/W,….)}

wobei BN die Nettodicke für seitengerillte Proben und gleich B für nicht seitengerillte Proben ist

Die elastische Plastizität J wird berechnet mit

J p l = η A p l B N b o {\displaystyle J_{pl}={\frac {\eta A_{pl}}{B_{N}b_{o}}}}

Wobei η {\displaystyle \eta }

=2 für SENB-Proben

bo ist die anfängliche Bandlänge, die sich aus der Differenz zwischen der Breite und der anfänglichen Risslänge ergibt

APl ist die plastische Fläche unter der Last-Verschiebungs-Kurve.

Ein spezielles Datenreduktionsverfahren wird verwendet, um einen vorläufigen JQ zu erhalten. Der Wert wird akzeptiert, wenn das folgende Kriterium erfüllt ist

min ( B , b o ) ≥ 25 J Q σ YS {\displaystyle \min(B,b_{o})\geq {\frac {25J_{Q}}{\sigma _{\text{YS}}}}}

Bestimmung des Weiterreißwiderstandes (Kahn’scher Weiterreißtest)

Der Weiterreißtest (z.B. Kahn’scher Weiterreißtest) liefert ein halbquantitatives Maß der Zähigkeit in Form des Weiterreißwiderstandes. Diese Art der Prüfung erfordert eine kleinere Probe und kann daher für ein breiteres Spektrum von Produktformen verwendet werden. Der Weiterreißversuch kann auch für sehr duktile Aluminiumlegierungen (z. B. 1100, 3003) verwendet werden, bei denen die linear-elastische Bruchmechanik nicht anwendbar ist.

StandardprüfverfahrenBearbeiten

Eine Reihe von Organisationen veröffentlichen Normen für die Messung der Bruchzähigkeit, nämlich ASTM, BSI, ISO, JSME.

• ASTM C1161 Test Method for Flexural Strength of Advanced Ceramics at Ambient Temperature
• ASTM E399 Test Method for Plane-strain Fracture Toughness of Metallic Materials
• ASTM E740 Practice for Fracture Testing with Surface-.Risszugproben
• ASTM E1820 Standardprüfverfahren zur Messung der Bruchzähigkeit
• ASTM E1823 Terminologie zur Ermüdungs- und Bruchprüfung
• ISO 12135 Metallische Werkstoffe – Einheitliches Prüfverfahren zur Bestimmung der quasistatischen Bruchzähigkeit
• ISO 28079:2009, das Palmqvist-Verfahren, zur Bestimmung der Bruchzähigkeit von Hartmetallen.