Bruchmechanik (LEBM, FBM)
Die Bruchmechanik untersucht das Risswachstum, die Rissausbreitung und die Rissauffangfähigkeit im Bauteil oder Material unter Betriebsbedingungen (Funktion, Lebensdauer, …). Die ermittelten Materialkennwerte unter Berücksichtigung der Beanspruchungs-Zeit-Funktion beeinflussen Konstruktion und Fertigung eines Bauteils.
Die Bruchmechanik spielt in vielen industriellen Bereichen wie beispielsweise der Luftfahrt oder dem Automobilbau eine große Rolle. Durch die Abschätzung der Lebens- bzw. Nutzungsdauer rissbehafteter Bauteile können Inspektions- und Wartungsintervalle gezielt festgelegt werden.
Man unterscheidet zwei Konzepte, die Linear-Elastische Bruchmechanik (LEBM) und die Fließbruchmechanik (FBM).
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Linear-Elastische Bruchmechanik (LEBM)
In der Linear-Elastischen Bruchmechanik LEBM (für spröde Werkstoffe geeignet) verhält sich der der Werkstoff bis zum verformungslosen Bruch (instabile Rissausbreitung) linear-elastisch. Ein klassischer Kennwert der Linear-Elastischen Bruchmechanik ist der K1C, der die kritische (C) Spannungsintensität (K) bei Rissöffungsmodus 1 beschreibt.
Fließbruchmechanik (FBM)
Versagt der Werkstoff dagegen duktil, d.h. mit einer plastischen Verformung um die Rissspitze, kommt das Konzept der Fließbruchmechanik zum Einsatz. Hier gibt es zwei Definitionen, einmal die Ermittlung der Kennwerte über die in der Rissspitzenumgebung gespeicherten Energie (J-Integralkonzept) und einmal über die Risspitzenaufweitung (CTOD „crack tip opening displacement“).
Relevante Normen
- ASTM E399-09 - Standard Test Method for Linear-Elastic Plane-Strain Fracture Toughness K1C of Metallic Materials
- ASTM E647 – Standard Test Method for Measurement of Fatigue crack growth rates (da/dN)
- ASTM E1820-11 – Standard Test Method for Measurement of Fracture Toughness (metals)
- ISO 12135 - Vereinheitlichtes Prüfverfahren zur Bestimmung der quasistatischen Bruchzähigkeit
Rissausbreitung in metallischen Bauteilen
Fertigungsbedingte Defekte im Bauteil oder an der Bauteiloberfläche, die jedes Bauteil innehat, stellen Risskeime dar, die unter Belastung die Entstehung von Rissen begünstigen. Diese Defekte können zu einem Anriss, d.h. einer makroskopischen Materialschädigung werden, die technisch erfasst werden kann. Hier spricht man von der Risseinleitungsphase.
In der folgenden Rissausbreitungsphase setzt sich der Riss im Bauteil fort bis die Spannungsintensität K vor der Rissspitze einen kritischen Wert übersteigt und das Bauteil schlagartig versagt.
Risse breiten sich in monoton oder zyklisch belasteten Bauteilen stabil (vorkritischer Zustand) oder instabil (kritischer Zustand) aus. Für spröde Werkstoffe kann die kritische Belastungsgröße K1C angegeben werden, deren Ermittlung in der ASTM E399 beschrieben wird. Bewegt sich die Spannungsintensität K des wachsenden Risses unterhalb von K1C, breitet sich der Riss stabil aus und kann bei Entlastung jederzeit gestoppt werden. Wird der K1C Wert überschritten, tritt instabiles Risswachstum ein und das Bauteil versagt schlagartig.
Die Risswachstumskurve kann in drei Bereiche unterteilt werden:
- Bereich I: Schwellwert ΔKth
- Bereich II: Ermüdungsrisswachstum da/dN
- Bereich III: Kritischer Spannungsintensitätsfaktor K1C (Risszähigkeit)
Probenformen
In der Bruchmechanik kommen unterschiedliche Probenformen zum Einsatz. Diese werden abhängig von der Norm und dem zur Verfügung stehenden zu prüfenden Material gewählt. Standardisierte Probenformen werden in der Norm beschrieben um die Versuchsergebnisse vergleichbar zu machen.
C(T)-Probe
Die in der Bruchmechanik meist verwendete Probenform ist die Compact Tension Probe. Diese wird für Prüfung nach ASTM E399 / E647 verwendet.
Nachfolgende Probenformen werden in den Normen auch noch aufgeführt. Sie werden je nach Industrie und zur Verfügung stehenden Ausgangsmaterialien gewählt:
- M(T)-Probe Middle tension Probe für Prüfung nach ASTM E647
- ESE(T)-Probe Eccentrically loaded single edge crack tension – Probe für Prüfung nach ASTM E647
- SE(B)-Probe Single edge bend-Probe für Prüfung nach ASTM E399
- DC(T)-Probe Disc-Shaped Compact Tension für Prüfung nach ASTM E399
- A(T)-Probe Arc-Shaped tension-Probe für Prüfung nach ASTM E399
- A(B)-Probe Arc-Shaped bend-Probe für Prüfung nach ASTM E399
Prüfmaschinen zur Ermittlung der Bruchmechanik
