Bruchzähigkeit


Bruchzähigkeit

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Die Bruchzähigkeit oder auch Risszähigkeit ist ein Begriff aus der Bruchmechanik und beschreibt den Widerstand eines Materials gegen instabilen Rissfortschritt. Der Werkstoffkennwert ist der kritische Spannungsintensitätsfaktor KIc, bei dem instabiler Rissfortschritt einsetzt.

Definition

Die Bruchzähigkeit, der kritische Spannungsintensitätsfaktor, ist als $ K_{Ic} = \Sigma_{c} \cdot \sqrt{\pi \cdot a} \cdot Y $ definiert. Ihre Einheit lautet $ \mathrm{MPa}\sqrt{\mathrm{m}} $.

Dabei gibt $ \Sigma_{c}\ $ die kritische Spannung an und $ a\ $ die halbe Risslänge an. Der Geometriefaktor $ Y\ $ berücksichtigt zwei Eigenschaften. Zum einen ist der Spannungsintensitätsfaktor theoretisch nur bei unendlich großen Platten unabhängig von den Abmessungen der Probe. Weiterhin können an den Rissenden senkrecht zur Oberfläche keine Spannungen auftreten, sodass sich ein ebener Spannungszustand einstellt. Dieser sorgt dafür, dass zum Beispiel bei einer Querkontraktionszahl von ν = 0,3 die plastisch verformte Zone an den Enden sechsmal breiter als in der Probenmitte ist.

Allerdings sinkt der Einfluss des Geometriefaktors $ Y $ mit der Probendicke, sodass sich eine von den Probenabmessungen unabhängige Bruchzähigkeit von $ K_{I} = \sigma \cdot \sqrt{\pi \cdot a} $ ergibt.

Bei gleichen Werkstoffen sinkt die Bruchzähigkeit mit ansteigender 0,2 %-Streckgrenze. Auch die Temperatur hat wie bei der Kerbschlagarbeit einen Einfluss auf die Bruchzähigkeit; sie steigt mit Anstieg der Temperatur.

Spannungsrisskorrosion und Schwingfestigkeit

Risswachstum (schematisch)
Bruchzähigkeit Risswachstum bei Spannungskorrosion.png
Spannungskorrosion
Bruchzähigkeit Risswachstum bei Schwingbeanspruchung.png
Schwingbeanspruchung

Die Bruchzähigkeit spielt neben der Bruchmechanik auch in anderen Bereichen eine große Rolle. Bei der Spannungsrisskorrosion und der Schwingfestigkeit entsteht vor dem Versagen des Materials ein Riss, der über Spannungsintensitätsfaktoren charakterisiert werden kann. Bei einer Spannungsrisskorrosion (engl. stress corrosion cracking, kurz scc) gibt KIscc den Wert an, ab dem Risswachstum zu erwarten ist. KIscc ist ein vom Werkstoff und Angriffsmedium abhängiger Kennwert.

Mit der Spannungsschwingbreite $ \Delta \sigma = \sigma_o - \sigma_u\ $ wird bei einer Schwingungsbeanspruchung über den zyklischen Spannungsintensitätsfaktor $ \Delta K = \Delta \sigma \cdot \sqrt{\pi \cdot a} \cdot Y $ das Risswachstum beschrieben.

Bestimmung der Bruchzähigkeit

CT-Probe nach DIN EN ISO 12737

Die Bruchzähigkeit lässt sich mit einem Kompakt-Zugversuch (engl. compact tension, kurz ct) bestimmen. Dazu wird zum Beispiel nach DIN EN ISO 12737 eine Zugprobe mit einer mittigen winkelförmigen Kerbe (siehe Bild) erzeugt und durch eine Schwingbeanspruchung ein Anriss hervorgerufen. Die Probe wird zerrissen und die Spannung gemessen, bei der der Riss instabil wurde. Weiterhin wird die Rissausdehnung ermittelt.

Bruchzähigkeit verschiedener Werkstoffe

Keramiken besitzen mit 1–5 MPa m1/2 die niedrigste Bruchzähigkeit. Dagegen haben Metalle mit dichtest gepackter Kristallstruktur eine Bruchzähigkeit, die 50- bis 100-fach höher liegt. Ähnlich wie Keramiken verhalten sich Thermoplaste, die unterhalb der 0,8-fachen Glasübergangstemperatur spröde sind und bei Erreichen der kritischen Spannungsintensität versagen.

Durch Einlagerung von Teilchen oder Fasern lässt sich die Bruchzähigkeit erhöhen. Ein Beispiel hierzu ist Stahlbeton. Sind die Teilchen oder Fasern duktil, wird zum Versagen des Verbundwerkstoffes zusätzliche Energie benötigt. Allerdings erhöhen auch spröde Fasern die Bruchzähigkeit, da so der Riss abgelenkt wird und abstumpft.

Beispiele

Bruchzähigkeit verschiedener Werkstoffe bei Raumtemperatur
Material $ K_{Ic} $ in $ \mathrm{MPa}\sqrt{\mathrm{m}} $
Metalle
Aluminium-Legierungen 36
Stähle 50
Titan-Legierungen 44–66
Aluminium 14–28
Keramiken
Aluminiumoxid 3–5
Siliziumkarbid 3–5
Beton 0,2–1,4
Polymere
Polymethylmethacrylat 1
Polystyrol 0,8–1,1

Quellen

  • Hans-Jürgen Bargel, Günter Schulze (Hrsg.): Werkstoffkunde. 9. Auflage. Springer-Verlag, Berlin 2005, ISBN 3-540-26107-9.
  • Joachim Rösler, Steffen Müller, Sebastian Piegert: Werkstoffkunde. Braunschweig 2006.

Weblinks