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ASTM E647 Risswachstum da/dN und Schwellwert ΔKth

Bereich I und II der Risswachstumskurve

Das Risswachstum da/dN und der Schwellwert ΔKth nach ASTM E647 sind Werkstoffkennwerte der Bruchmechanik und werden bei zyklischer Belastung mit konstanter Amplitude ermittelt. 

Risswachstumskurve

Das Risswachstum eines Materials wird in der Risswachstumskurve beschrieben. Diese Kurve wird in drei Bereiche unterteilt:

Bereichen I und II der Risswachstumskurve

Die ASTM E647 zur Ermittlung des Schwellwerts ΔKth und des Ermüdungsrisswachstums da/dN befasst sich mit den Bereichen I und II der Risswachstumskurve. Das Risswachstum nach ASTM E647 wird hauptsächlich bei duktilen Werkstoffen bestimmt. Hierbei wird zwischen der Bestimmung des Schwellwerts ΔKth (Bereich I) und des Ermüdungsrisswachstums da/dN (Bereich II) unterschieden.

Risswachstumsprüfung nach ASTM E647

Der Risswachstumstests nach ASTM E647 wird an sogenannten CT-Proben durchgeführt. Dabei kommt eine servohydraulische Prüfmaschine HA 250 kN zum Einsatz. Die ermittelten Kennwerte sind das Risswachstum da/dN und der Schwellwert ΔKth.

Schwellwert ΔKth (Bereich I) nach ASTM E647

Zur Ermittlung des Schwellwerts ΔKth nach ASTM E647 wird die Probe zu Beginn der Prüfung mit Lasten im Bereich der Anrisserzeugung oder höher belastet. Die Geschwindigkeit des Risswachstums wird immer mehr verlangsamt, indem die Lastamplitude immer weiter reduziert wird. Zu Beginn wächst der Riss relativ schnell, am Ende der Prüfung verlangsamt sich das Risswachstum immer weiter bis der Riss stoppt bzw. mindestens eine Rissgeschwindigkeit da/dN von 10-7 mm/Lastwechsel erreicht wird. Ist dieser Punkt erreicht, kann der ΔKth bestimmt werden. Mit dieser Methode können der Schwellwert ΔKth (Bereich I) und die Paris-Gerade (Bereich II) bestimmt werden.

Für die Schwellwertbestimmung werden in der Norm ASTM E647 zwei Verfahren beschrieben:

a) Prüfung bei konstantem Spannungsverhältnis R

Mit den Methoden mit konstantem Spannungsverhältnis werden zur Verminderung der zyklischen Spannungsintensität sowohl die maximale als auch die minimale Spannungsintensität abgesenkt.

Um Verzögerungseffekte durch die Reduktion der Last mit zunehmender Risslänge zu vermeiden, müssen die Inkremente angemessen gewählt werden. Die ASTM E647 lässt sowohl eine stufenweise als auch eine kontinuierliche Absenkung zu. Bei einer stufenweisen Absenkung sind innerhalb eines Inkrements die Kräfte (P) konstant. Dieses führt dazu, dass die Spannungsintensität aufgrund des wachsenden Risses kurzfristig ansteigt, bis die Last wieder abgesenkt wird. Deshalb ist gemäß ASTM E647 die Stufenhöhe 10% der jeweils höheren Belastung nicht zu übersteigen bzw. hat die Breite der Stufen mindestens 0,5 mm zu betragen.

b) Prüfung bei konstanter maximaler Spannungsintensität

Neben den Verfahren, bei denen das R-Verhältnis konstant gehalten wird, ist in der ASTM E647 ein Verfahren mit konstantem maximalem Spannungsintensitätsfaktor zulässig. Bei dieser Methode zur Thresholdbestimmung wird ausgehend von einem hohen zyklischen Spannungsintensitätsfaktor die minimale Spannungsintensität kontinuierlich angehoben, bis der Thresholdwert erreicht ist.

Risswachstum da/dN nach ASTM E647 (Bereich II)

Um das stabile Risswachstum da/dN nach ASTM E647 unter Beibehaltung der Lastamplitude bestimmen zu können werden Fmax und Fmin während der gesamten Versuchsdurchführung konstant gehalten. Aufgrund des abnehmenden tragenden Querschnitts und der deshalb zunehmenden Spannungsintensität an der Rissspitze beschleunigt sich der Rissfortschritt.

Bei dieser Untersuchung können die allgemeine Risswachstumskurve (Bereich II) und die Paris-Gerade bestimmt werden. Eine Ermittlung des Schwellwertes ΔKth ist nicht möglich.

Was ist die Paris-Gerade?

Als Paris Gerade wird der mittlere Bereich (Bereich II) der Risswachstumskurve bezeichnet. 

Die konstante Zunahme der Risslänge pro Lastwechsel (da/dN) bezogen auf den zyklischen Spannungsintensitätsfaktor dK wird als Risswachstumskurve bezeichnet. Im mittleren Bereich (Bereich II) kann die Risswachstumskurve mathematisch mit dem einfachen Paris Gesetz beschrieben werden:

Da/dN = C*(ΔK)m

Dieser Bereich wird auch als Paris Gerade bezeichnet, da durch das stabile Risswachstum in diesem Bereich bei logarithmischer Darstellung die Kurve eine konstante Steigung hat.
 

Passende Produkte: Software

Für testXpert Research existiert eine spezielle Prüfvorschrift für die Ermittlung des Risswachstums im Bereich I und II nach ASTM E647.

Mit der Prüfvorschrift kann sowohl das Anschwingen als auch die Ermittlung der Risswachstumskurve durchgeführt werden. 

Mit Hilfe unterschiedlicher Belastungsarten können die Kennwerte Schwellwert ΔKth, das Risswachstum da/dN sowie die Paris-Gerade automatisch ermittelt werden.
 

Passende Produkte: Prüfmaschinen

Zur Ermittlung des Risswachstums stehen Prüfmaschinen mit unterschiedlichen Antriebskonzepten für statischen Versuche, dynamischen Prüfungen und zur Anrisserzeugung zur Verfügung. 

Die Hochfrequenzpulsatoren können zur Anrisserzeugung und zur Durchführung der Versuche nach ASTM E647 verwendet werden. Das Prüfsystem beruht auf einem Feder-Masse-System, dass in einem Magnetfeld in Schwingung versetzt wird und so eine dynamische Last erzeugt. Eine statische Vorlast wird durch einen integrierten elektromechanischen Antrieb aufgebracht.
 

Weitere Informationen zur Bruchmechanik

Bruchmechanik
Risswachstum, Rissausbreitung, Rissauffangfähigkeit
zu Bruchmechanik
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ASTM E399
Bereich III der Risswachstumskurve
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