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Bruchmechanik

Die Bruchmechanik untersucht das Risswachstum, die Rissausbreitung und die Rissauffangf├Ąhigkeit im Bauteil oder Material unter Betriebsbedingungen (Funktion, Lebensdauer, ÔÇŽ). Die ermittelten Materialkennwerte unter Ber├╝cksichtigung 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 gro├če Rolle. Durch die Absch├Ątzung der Lebens- bzw. Nutzungsdauer rissbehafteter Bauteile k├Ânnen Inspektions- und Wartungsintervalle gezielt festgelegt werden.

Konzepte der Bruchmechanik

Man unterscheidet zwei Konzepte, die Linear-Elastische-Bruchmechanik (LEBM) und die Flie├čbruchmechanik (FBM).

In der Linear-Elastischen Bruchmechanik (f├╝r spr├Âde Werkstoffe geeignet) verh├Ąlt sich der der Werkstoff bis zum verformungslosen Bruch (instabile Rissausbreitung) linear-elastisch. Ein klassischer Kennwert der LEBM ist der K1C, der die kritische (C) Spannungsintensit├Ąt (K) bei Riss├Âffungsmodus 1 beschreibt.

Versagt der Werkstoff dagegen duktil, d.h. mit einer plastischen Verformung um die Rissspitze, kommt das Konzept der Flie├čbruchmechanik zum Einsatz. Hier gibt es zwei Definitionen, einmal die Ermittlung der Kennwerte ├╝ber die, in der Rissspitzenumgebung gespeicherten Energie (J-Integralkonzept) und einmal ├╝ber die Risspitzenaufweitung (CTOD ÔÇ×crack tip opening displacementÔÇť). 

Relevante Normen der Bruchmechanik

Rissausbreitung in metallischen Bauteilen

Fertigungsbedingte Defekte im Bauteil oder an der Bauteiloberfl├Ąche, die jedes Bauteil innehat, stellen Risskeime dar, die unter Belastung die Entstehung von Rissen beg├╝nstigen. Diese Defekte k├Ânnen zu einem Anriss, d.h. einer makroskopischen Materialsch├Ądigung 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 Spannungsintensit├Ąt K vor der Rissspitze einen kritischen Wert ├╝bersteigt und das Bauteil schlagartig versagt.

Risse breiten sich in monoton oder zyklisch belasteten Bauteilen stabil (vorkritischer Zustand) oder instabil (kritischer Zustand) aus. F├╝r spr├Âde Werkstoffe kann die kritische Belastungsgr├Â├če K1C angegeben werden, deren Ermittlung in der ASTM E399 beschrieben wird. Bewegt sich die Spannungsintensit├Ąt K des wachsenden Risses unterhalb von K1C, breitet sich der Riss stabil aus und kann bei Entlastung jederzeit gestoppt werden. Wird der K1C Wert ├╝berschritten, tritt instabiles Risswachstum ein und das Bauteil versagt schlagartig.

Die Risswachstumskurve kann in drei Bereiche unterteilt werden:

Probenformen der Bruchmechanik

In der Bruchmechanik kommen unterschiedliche Probenformen zum Einsatz. Diese werden abh├Ąngig von der Norm und dem zur Verf├╝gung stehenden zu pr├╝fenden Material gew├Ąhlt. 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 f├╝r Pr├╝fung nach ASTM E399 / E647 verwendet.

Nachfolgende Probenformen werden in den Normen auch noch aufgef├╝hrt. Sie werden je nach Industrie und zur Verf├╝gung stehenden Ausgangsmaterialien gew├Ąhlt:

  • M(T)-Probe Middle tension Probe f├╝r Pr├╝fung nach ASTM E647
  • ESE(T)-Probe Eccentrically loaded single edge crack tension ÔÇô Probe f├╝r Pr├╝fung nach ASTM E647
  • SE(B)-Probe Single edge bend-Probe f├╝r Pr├╝fung nach ASTM E399
  • DC(T)-Probe Disc-Shaped Compact Tension f├╝r Pr├╝fung nach ASTM E399
  • A(T)-Probe Arc-Shaped tension-Probe f├╝r Pr├╝fung nach ASTM E399
  • A(B)-Probe Arc-Shaped bend-Probe f├╝r Pr├╝fung nach ASTM E399
     

Weitere Informationen zur Bruchmechanik

Bruchmechanik: Risswachstum und Schwellwert ASTM E647

Bereich I und II der Risswachstumskurve
Das Ermüdungsrisswachstum da/dN und der Schwellwert ΔKth nach ASTM E647 sind Werkstoffkennwerte der Bruchmechanik und werden bei zyklischer Belastung mit konstanter Amplitude ermittelt.
zu Bruchmechanik: Risswachstum und Schwellwert ASTM E647

Bruchmechanik: kritischer Spannungsintensit├Ątsfaktor ASTM E399

Bereich III der Risswachstumskurve
Der kritische Spannungsintensit├Ątsfaktors K1C nach ASTM E399 ist ein Werkstoffkennwert der Bruchmechanik und wird bei zyklischer Belastung mit konstanter Amplitude ermittelt.
zu Bruchmechanik: kritischer Spannungsintensit├Ątsfaktor ASTM E399

Pr├╝fmaschinen zur Ermittlung der Bruchmechanik

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