Was ist ein Bruchzähigkeitstest?

Die Bruchzähigkeitsprüfung ist eine der wichtigsten mechanischen Prüfungen, die darauf abzielt, die Fähigkeit eines Materials, der Rissausbreitung zu widerstehen, zu verstehen und dadurch seine Bruchfestigkeit zu beeinflussen.

Dieser umfassende Leitfaden befasst sich eingehend mit der Bruchzähigkeitsprüfung und erläutert deren Bedeutung, Methoden, Normen, Vorteile und geeignete Prüfmaschinen.

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Was misst der Bruchzähigkeitstest?

Bruchzähigkeitsprüfungen verkörpern die Bewertung der Widerstandsfähigkeit eines Materials gegen Rissausbreitung, indem es einer progressiv ansteigenden Belastung bis zum Versagen ausgesetzt wird. Der Beginn eines Bruchversagens ist in der Regel auf inhärente Fehler im Material zurückzuführen, wie z. B. Kratzer, Dellen oder Korrosionsstellen, die sich zu kritischen Rissen ausbreiten und zum Versagen der Struktur führen. Diese Tests, die häufig in Verbindung mit Korrosions-, Ermüdungs- oder Hochtemperaturprüfungen durchgeführt werden, liefern unschätzbare Erkenntnisse über die Leistung eines Materials unter verschiedenen Umweltbedingungen.

Welchen Zweck hat die Prüfung der Bruchzähigkeit?

Bruchzähigkeitsprüfungen bieten tiefe Einblicke in die strukturelle Integrität und Haltbarkeit eines Materials, die für verschiedene industrielle Anwendungen entscheidend sind. Ein Material, das eine hohe Bruchzähigkeit aufweist, bedeutet einen erhöhten Widerstand gegen die Rissausbreitung, was auf eine höhere Schadenstoleranz und Ermüdungsfestigkeit hindeutet. Folglich spielen diese Tests eine entscheidende Rolle bei der Materialauswahl, der Konstruktionsoptimierung und der Gewährleistung der Betriebssicherheit in einer Vielzahl von technischen Disziplinen.

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Wie führt man einen Bruchzähigkeitstest durch?

Die Methodik von Bruchzähigkeitsprüfungen beruht auf der Anwendung von inkrementellen Belastungen auf das Material, bis es versagt. Vor der Prüfung ist eine sorgfältige Vorbereitung unabdingbar. Dazu gehört die Erzeugung einer Ermüdungskerbe, um die Rissbildung zu erleichtern, was in der Regel durch Funkenerosion erreicht wird.

Um eine Bruchzähigkeitsprüfung durchzuführen, wird zunächst eine Probe mit einem bereits vorhandenen Riss vorbereitet. Dieser Riss ermöglicht die beabsichtigte Rissausbreitung während der Prüfung. Die Verwendung einer Universalprüfmaschine (UTM) ist für die Durchführung von Bruchzähigkeitsprüfungen unabdingbar, da diese vielseitig einsetzbar ist und verschiedene Prüfmethoden, einschließlich Zugprüfungen, ermöglicht. Darüber hinaus ist die Einhaltung von Referenzstandards, wie sie von renommierten Organisationen wie ASTM und ISO vorgeschrieben werden, von größter Bedeutung. In diesen Normen werden spezifische Anforderungen an die Maschinenkalibrierung und den Prüfaufbau festgelegt, um die Einheitlichkeit der Verfahren in verschiedenen Prüfszenarien zu gewährleisten.

Eine gängige Methode zur Prüfung der Bruchzähigkeit ist der Crack Tip Opening Displacement (CTOD)-Test. Bei dieser Methode wird eine vorgerissene Materialprobe einem 3-Punkt-Biegeversuch unterzogen. Die Verfahrensschritte für die Durchführung eines CTOD-Tests sind wie folgt:

Vorbereitung der Probe: Fräsen einer Kerbe in der Mitte der Materialprobe und anschließendes Herbeiführen eines Ermüdungsrisses an der gefrästen Kerbe.
Belastungsverfahren: Einsetzen der Probe in eine 3-Punkt-Biegevorrichtung, um die erforderliche Last aufzubringen.
Dehnungsmessung: Anbringen von Dehnungsmessstreifen auf beiden Seiten des Risses, um die Dehnungsschwankungen während des gesamten Prüfvorgangs genau zu messen.
Versagensanalyse: Aufbringen einer progressiven Belastung bis zum Versagen, sorgfältige Dokumentation der Ergebnisse für eine umfassende Analyse und Bewertung.

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Gängige Normen für die Prüfung der Bruchzähigkeit

ASTM D5528: Für die interlaminare Zähigkeit von unidirektionalen Polymerverbundwerkstoffen.
ASTM D6671: Standard-Prüfverfahren für die interlaminare Bruchzähigkeit von unidirektionalen faserverstärkten Polymermatrix-Verbundwerkstoffen, gemischt Mode I-Mode II.
ASTM E208: Standardprüfverfahren für die Durchführung von Fallgewichtsversuchen zur Bestimmung der Null-Duktilitäts-Übergangstemperatur von ferritischen Stählen.
ASTM E399: Standard-Prüfverfahren für die linear-elastische Bruchzähigkeit von metallischen Werkstoffen bei ebener Beanspruchung.
ASTM E561: Standardtestmethode für die Bestimmung der KR-Kurve.
ASTM E604: Standardtestmethode für die dynamische Reißprüfung von metallischen Werkstoffen.
ASTM E740: Standard Practice for Fracture Testing with Surface-Crack Tension Specimens.
ASTM E1304: Standard Test Method for Plane-Strain (Chevron-Notch) Fracture Toughness of Metallic Materials.
ASTM E1681: Standard Test Method for Determining Threshold Stress Intensity Factor for Environment-Assisted Cracking of Metallic Materials.
ASTM E1820: Standardtestmethode zur Messung der Bruchzähigkeit.
ASTM E1921-22a: Standardprüfverfahren zur Bestimmung der Referenztemperatur T0 für ferritische Stähle im Übergangsbereich.
ISO 12135: Metallische Werkstoffe – Einheitliches Prüfverfahren zur Bestimmung der quasi-statischen Bruchzähigkeit.
ISO 17281: Kunststoffe-Bestimmung der Bruchzähigkeit (GIC und KIC) bei mäßig hohen Belastungsgeschwindigkeiten (1 m/s).

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