Werkstoffkunde 2 - TUM - Bruchmechanik und Ermüdung

• 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

Ein Werkstoff kann, abhöngig von seiner äußeren Form, duktiles oder sprödes Bruchverhalten zeigen

Die elastische Energie  ΔW_e ist die Energie die bei Einbringung eines Risses durch die Entlastung der Umgebung freigesetzt wird.

 ΔW_e=(π*a²*σ²)/E

Es wurde für sehr spröde Materialien hergeleitet und ist nicht auf andere Werkstoffe übertragbar

G=½*(dΔW_e)/(d*a)

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 K_IC durch: K_IC=(P*sqrt(a))/(W*B)*f(a/W)  

W: Länge der Probe; B: Breite der Probe; a: Länge des Risses

An der Rissspitze ist die Spannung theoretisch unendlich hoch

An der Rissgrenze ergibt sich eine plastische Zone

Werkstoffversagen aufgrund von zyklischer Belastung

• Probengeometrie
• Oberflächenzustand der Probe
• Wärmebehandlung des Materials
• umgebene Atmosphäre
• Art der Belastung
• Zyklenform (Dreiecks-, Sinuszyklus, ...)
• Temperatur

σ(t)=σ_m+σ_a*sin(2*π*f*t)   σ_{m : Mittelspannung;} σ_{a: Spannungsamplitude; f: frequenz; t: Zeit;}

die Spannung variiert zwischen einem maximalen Wert σ_max=σ_m+σ_{a und einem minimalen Wert} σ_min=σ_m-σ_a

• Druckbereich σ_max,σ_min <0
• Druckschwellbereich σ_max = 0 ,σ_min < 0
• symmetrischer Wechselbereich σ_m=0  |σ_max|=|σ_min|
• Zugschwellbereich σ_max > 0, σ_min =0
• Zugbereich σ_max,σ_min >0

• Kurzzeitfestigkeit, N_R<10³-10⁴   Niedriglastspielzahl-Ermüdung, LCF                         N_{R: Zyklenzahl}
• Zeitfestigkeit, 10⁴<N_R<10⁵-10⁶ Hochlastspielzahl-Ermüdung, HCF
• Dauerfestigkeit, 10^6<N_R<10⁸-10⁹

Die Phasenverschiebung zwischen aufgepägter Spannung und Dehnung im Ermüdungsexperiment (siehe s.335 Abb. 12.15)

1. Ausbildung einer Ermüdungsgrundstruktur
2. Bildung von Anrissen
3. Ausbreitung eines Risses
4. Ermüdungsrisswachstum
5. Ermüdungsbruch

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

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

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

Während des Rissfortschritts wird die tragende Querschnittsfläche des Bauteil stetig verringert

WIrd die Zugfestigkeit im Restquerschnitt überschritten, bricht dieser Bereich spröde