Mit mehr als 25 Jahren Erfahrung in der Materialprüfung, Metallurgie und Systemtechnik bringt Dr. Erik Schwarzkopf, Wissenschaftler bei MTS, einzigartige Expertise in die Kundeninteraktionen ein. In diesem Fragen-und-Antworten-Format diskutiert er die Bruchmechanik und Bruchzähigkeitstests.
Q: Was ist ein Bruchzähigkeitstest?
A: Einfach ausgedrückt ist ein Bruchzähigkeitstest ein nicht-cyclischer Test, der misst, wie viel Energie benötigt wird, um eine Fissur katastrophal wachsen zu lassen. Verschiedene Testarten definieren „Energie“ und „katastrophal“ unterschiedlich. Energie kann einen energie-repräsentativen Parameter umfassen, wie einen Distanzparameter wie CTOD, einen Spannungsintensitätsparameter wie KIc oder einen durch Fläche geteilten Energieparameter wie JIc. Katastrophales Risswachstum kann als sehr schnell, sehr weit oder etwas weiter als der Anfangszustand interpretiert werden. Zu den gängigen Standards für Bruchzähigkeitstests gehören ASTM E399, E561 und E1820.
R-Kurve ASTM E561-Test an einem dünnen Stahlproben. Die Geräusche, die während der Rissbildung entstehen, sind auf instabile Risswachstum zurückzuführen, was zu plötzlichen Änderungen der Kraft oder Verschiebung führt, die allgemein als „Pop-ins“ bezeichnet werden.
Q: Welche Branchen interessieren sich für Messungen der Bruchzähigkeit?
A: Jede Branche, die auf Druckbehälter angewiesen ist, muss die Bruchzähigkeitseigenschaften der Materialien kennen, die für diese druckbeaufschlagten Behälter verwendet werden. Wenn etwas unter Druck steht, ist es wichtig zu wissen, wie es sich im Laufe der Zeit verhalten wird. Es ist äußerst wünschenswert, dass ein Behälter oder Rohr leckt, anstatt zu explodieren, daher ist die Wahl des richtigen Materials mit den gewünschten Eigenschaften entscheidend. Aus diesem Grund sind Messungen der Bruchzähigkeit wertvoll, wenn es darum geht, Materialien für Rohrleitungen in Kraftwerken oder in nuklearen und öl- und gasbasierten Anwendungen auszuwählen. Neben dem Interesse des Energiesektors verlassen sich auch Hersteller von Metallen und Verbundwerkstoffen sowie die maritime, Bau- und Luftfahrtindustrie auf Messungen der Bruchzähigkeit zur Bewertung von Materialien.
Q: Wie wachsen Risse und was hat die Materialplasticität damit zu tun?
A: Risse können auf viele Arten wachsen und Energie verbrauchen, je nach den Eigenschaften des Materials – manchmal führt ein Riss dazu, dass das Material in zwei Teile bricht (die Bildung jeder neuen Oberfläche absorbiert Energie), manchmal absorbiert das Material Energie durch Verformung, manchmal transformiert es (wechselt von einer Phase zur anderen). Aufgrund der unterschiedlichen Materialeigenschaften gibt es mehrere Arten der Bruchmechanik. Bei hochfesten Materialien wird häufig die lineare elastische Bruchmechanik (LEFM) verwendet. Für duktilere Materialien gibt es die elastisch-plastische Bruchmechanik (EPFM). Die lineare elastische Bruchzähigkeit geht davon aus, dass die plastische Deformation im Vergleich zu allen anderen Dimensionen gering ist.
Q: Wann würden Sie einen Bruchzähigkeitstesttyp einem anderen vorziehen?
A: Es hängt von der Art der Daten ab, die Sie benötigen, und vom Material. Wenn Sie eine qualitative im Vergleich zu einer quantitativen Antwort benötigen, dann können einige der einfachsten Tests Ihnen sagen, ob das Material mehr oder weniger anfällig für Rissbildung ist. Ein einfacher Test sagt Ihnen nicht, wie viel einfacher es ist, das Material zu brechen, aber die Kurve eines einfachen Zugtests kann Ihnen etwas sagen. Ein Charpy-Schlagtest wird Ihnen sagen, ob ein Material einer Kraft standhalten kann und Ihnen Daten zu Bestehen/Nichtbestehen liefert. Wenn Sie eine quantitative Messung benötigen und Sie einen gültigen Test mit einem kleinen Probenstück durchführen können, können Sie einen KIc-Test versuchen, vorausgesetzt, die Materialplasticität ist minimal.
Q: Was ist, wenn die Materialplasticität nicht minimal ist?
A: Manchmal würde die Durchführung eines gültigen KIc-Tests ein sehr großes (und sehr teures) Probenstück erfordern, um sicherzustellen, dass der Großteil des Probenstücks elastisch ist. Es gibt eine Lösung für dieses Problem: Mit einem gültigen J-Integral-Ergebnis können Sie den K-Wert berechnen, was es Ihnen ermöglicht, ein kleineres Probenstück zu verwenden. Die Bestimmung des J-Integrals erfordert mehr Analyse, aber da es nicht von der Größe der plastischen Zone abhängt, benötigt es kein großes Probenstück.
Q: Welche anderen Überlegungen gibt es bei der Auswahl eines Bruchzähigkeitstesttyps?
A: Wie bei allen Tests ist Konsistenz wichtig. Ein konsistenter Kerbtyp ist entscheidend. Die Kontrolle der Temperatur, der Geometrie und Dicke des Probenstücks sowie der Lastgeschwindigkeit sind alles Anforderungen für ein gültiges Testergebnis. Auch die Daten, die aus früheren Tests gesammelt wurden, sind ein Faktor, den man berücksichtigen sollte. Wenn Sie eine Historie von CTOD-Daten haben, macht es Sinn, diesen Testtyp zu wählen.
Q: Was ist mit der Prüfung der Bruchzähigkeit von additiv gefertigten Materialien?
A: Additiv gefertigte Materialien werden immer üblicher und weisen mehrere Problembereiche auf: Porosität, Dichte und Partikelgrenzen. Poren und Grenzen in diesen Materialien wirken wie Risse oder Kerben und beeinflussen die Ermüdungs- und Brucheigenschaften des Materials. Sie müssen bestimmen, ob die „pseudo“ Kerben dazu führen, dass Risse katastrophal wachsen oder nicht. Verbundwerkstoffe und additiv gefertigte Materialien stellen einzigartige Herausforderungen dar, da sie Defekte zwischen den Schichten aufweisen können, die wir nicht sehen können, weshalb sie getestet werden müssen.
Q: Was hält die Zukunft für die Messung der Bruchzähigkeit bereit?
A: Es wird weiterhin neue Möglichkeiten geben, Materialien wie 3D-Druck/additive Fertigung herzustellen; neue Materialien wie technische Verbundwerkstoffe; neue Anwendungen für Materialien in Bereichen wie Wasserstoff betriebenen Fahrzeugen und Raumfahrt; sowie neue Testtechniken. All diese Innovationen bedeuten, dass Materialien hinsichtlich ihrer Bruchzähigkeit bewertet werden müssen, um zu bestimmen, ob sie für den vorgesehenen Endgebrauch geeignet sind. Durch das Verständnis der Prinzipien und Methoden der Bruchzähigkeitstests können Forscher und Ingenieure sicherere und zuverlässigere Materialien und Strukturen entwickeln, um den sich entwickelnden Bedürfnissen der modernen Technologie und Industrie gerecht zu werden.
