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Werkstofftechnik 1 - Risszähigkeitsversuche

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Werkstofftechnik 1

Risszähigkeitsversuche

Durch den Risszähigkeitsversuch lässt sich der Widerstand eines Werkstoff gegen instabile Rissausbreitung ermitteln. Ermittelt wird hierbei der Spannungsintensitätsfaktor K, also der Punkt an dem der instabile Rissfortschritt einsetzt. 

Prinzip des Prüfvorgangs

Ein Probe wird mit einer winkelförmigen Kerbe versehen und anschließend durch zwei kontinuierliche Kräfte, welche jeweils parallel zur Kerbe wirken, auseinandergezogen. Im Verlauf des Versuchs werden Rissöffnungsänderung v'
und Risslänge a gemessen. Die Geometrie der Probe kann balkenartig, kubisch oder zylindrisch sein. Beim Balken wird die Rissausbreitung durch eine Druckkraft auf der gegenüberliegenden Seite der Kerbe erzeugt. Beim Kubus und Zylinder ergibt sich die Rissausbreitung durch zwei entgegengesetzt wirkende Zugkräfte, die bestrebt sind die mittig gelegene Kerbe zu vergrößern. 

Risszähigkeitsprobe (Schema)
Risszähigkeitsprobe (Schema)

Prüfergebnisse

Die Messergebnisse für die Rissöffnungsänderung sowie die kritische Kraft $ F_c $ können anschließend in ein F,v-Diagramm übertragen werden:

Rissöffnungsdiagramm, F,v-Diagramm
Rissöffnungsdiagramm, F,v-Diagramm

Mit Hilfe der gemessenen Risslänge lässt sich anschließend die Spannungsintensität ermitteln: 

Methode

Spannungsintensität: $\ K = \sigma_n \sqrt{\pi a} \cdot Y $

Y = stellt den Geometriefaktor dar $\ Y = f(\frac{a}{W}) $

Beim ebenen Dehnungszustand und ebenen Spannungszustand wird der Spannungsintensitätsfaktor beschrieben durch:

Methode

$\ K = \sigma_n \sqrt{\pi a} \cdot Y \rightarrow  \ K_{Ic}, K_c = \sigma_c \sqrt{\pi a} \cdot Y $

Die letzte Gleichung beschreibt die kritische Spannungsintensität, bei welcher dann die instabile Rissausbreitung einsetzt. 

Merke

Während der Rissausbreitung wird Energie freigesetzt, welcher sich analog zum Risswiderstand verhält, daher lässt sich festhalten: Energiefreisetzungsrate G = Risswiderstand R

Die Risszähigkeit zwischen verschiedenen Werkstoffen schwankt stark. Während Metalle die höchste Risszähigkeit besitzen, weisen Keramiken und Polymere eine sehr niedrige Risszähigkeit auf. Verbundstoffe liegen zwischen Metallen und Keramiken/Polymeren und haben eine mittlere Risszähigkeit.