Werkstoffkunde 2 - TUM - Bruchmechanik und Ermüdung
Kapitel 12 WK1
Kapitel 12 WK1
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Cartes-fiches
Wovon geht die Bruchmechanik aus?
In jedem Bauteil sind von Anfang an Risse vorhanden
Was sind die Kernpunkte der Bruchmechanik?
- Wie groß ist die kritische Risslänge
- Welche Risslängen können toleriert werden
- Wie lange braucht ein Riss, um auf eine kritische Risslänge zu wachsen
- Welche Oberflächengüte muss am Einsatzanfang vorliegen
- Wie oft muss ein Bauteil einer Inspektion unterworfen werden
Wie beeinflusst die äußere Form das Bruchverhalten eines Werkstoffs?
Ein Werkstoff kann, abhöngig von seiner äußeren Form, duktiles oder sprödes Bruchverhalten zeigen
Was ist die elastische Energie ΔWe und wie wird sie berechnet?
Die elastische Energie ΔWe ist die Energie die bei Einbringung eines Risses durch die Entlastung der Umgebung freigesetzt wird.
ΔWe=(π*a2*σ2)/E
Warum ist mit dem Griffith Kriterium keine Beschreibung des Bruchverhaltens möglich?
Es wurde für sehr spröde Materialien hergeleitet und ist nicht auf andere Werkstoffe übertragbar
Wie berechnet sich die Rissausbreitungskraft G?
G=½*(dΔWe)/(d*a)
Wie wird die Bruchzähigkeit gemessen?
Es wird über zylindrische Bolzen eine Kraft P auf die Probe aufgebracht.
Bei einer kritischen Belastung beginnt der Riss sich auszubreiten, an diesem Punkt fällt P ab.
Man erhält die Bruchzähigkeit KIC durch: KIC=(P*sqrt(a))/(W*B)*f(a/W)
W: Länge der Probe; B: Breite der Probe; a: Länge des Risses
Wie wirkt sich ein Riss auf das Spannugsfeld des Werkstoffs aus?
An der Rissspitze ist die Spannung theoretisch unendlich hoch
An der Rissgrenze ergibt sich eine plastische Zone
Was ist Werkstoffermüdung?
Werkstoffversagen aufgrund von zyklischer Belastung
Welche Einflussgrößen werden beim Ermüdungsversuch mitbestimt?
- Probengeometrie
- Oberflächenzustand der Probe
- Wärmebehandlung des Materials
- umgebene Atmosphäre
- Art der Belastung
- Zyklenform (Dreiecks-, Sinuszyklus, ...)
- Temperatur
Wie wird eine sinusförmige Belastung beschrieben?
σ(t)=σm+σa*sin(2*π*f*t) σm : Mittelspannung; σa: Spannungsamplitude; f: frequenz; t: Zeit;
die Spannung variiert zwischen einem maximalen Wert σmax=σm+σa und einem minimalen Wert σmin=σm-σa
Zwischen Welchen Beanspruchungsbereichen werden bei zyklischer Belastung unterschieden?
- Druckbereich σmax,σmin <0
- Druckschwellbereich σmax = 0 ,σmin < 0
- symmetrischer Wechselbereich σm=0 |σmax|=|σmin|
- Zugschwellbereich σmax > 0, σmin =0
- Zugbereich σmax,σmin >0
Zwischen welchen bereichen der Wöhlerkurven (siehe seite 334 Abb.12.13) wird unterschieden?
- Kurzzeitfestigkeit, NR<103-104 Niedriglastspielzahl-Ermüdung, LCF NR: Zyklenzahl
- Zeitfestigkeit, 104<NR<105-106 Hochlastspielzahl-Ermüdung, HCF
- Dauerfestigkeit, 106<NR<108-109
Was ist die Spannung- Dehnungs-Hysterese?
Die Phasenverschiebung zwischen aufgepägter Spannung und Dehnung im Ermüdungsexperiment (siehe s.335 Abb. 12.15)
In Welche Stadien lassen sich die mikrostrukturellen Vorgänge im Werkstoff während des Ermüdungsprozesses unterteilen?
- Ausbildung einer Ermüdungsgrundstruktur
- Bildung von Anrissen
- Ausbreitung eines Risses
- Ermüdungsrisswachstum
- Ermüdungsbruch
Ausbildung der Rissgrundstruktur
Durch Versetzungsbewegungen kommt es zu plastischen Verformungen im Mikrobereich
Während der Zugphase werden andere Gleitebenen betätigt als in der Druckphase, dadurch kommt es zu Extrusionen und Intrusionen (siehe s.337 Abb 12.17)
Intrusionen bilden mögliche Keime für die Rissbildung
Bildung von Anrissen
Durch die Überlagerung von Lastspannungen mit Mikro und Makroeinspannungen kommt es zur Bildung von Anrissen. Dadurch werden örtlich hohe Gesamtspannungen aufgebaut.
Es kommt zu zunehmender lokalen plastischen Verformung
Es treten immer Oberflächenrisse auf
Ausbreitung eines Risses
Im ersten Risstadium breitet sich der Riss mit geringer Geschwindigkeit aus (10-5-10-7mm/zyklus)
Die Risse verlaufen etwa unter 45°zur Spannungsachse
Im Risstadium II erfolgt die Ausbreitung mit größerer geschwindigkeit senkrecht zur Zugrichtung
Durch das zyklische Fortschreiten werden auf Bauteilbruchflächen mikroskopisch feine Schwinungsstreifen gebildet
Ermüdungsbruch
Während des Rissfortschritts wird die tragende Querschnittsfläche des Bauteil stetig verringert
WIrd die Zugfestigkeit im Restquerschnitt überschritten, bricht dieser Bereich spröde
