Fachartikel

Bruchmechanische Prüfung duktiler Gusseisen mit dem Kerbschlagbiegeversuch
VON JAKOB BREINER UND DIERK HARTMANN, KEMPTEN, ANDREAS BÜHRIG-POLACZEK, AACHEN

Duktile Gusseisen mit Kugelgrafit finden ihre Hauptanwendung im Windkraftanlagenbau, im allgemeinen Maschinen- und Anlagenbau sowie in der Fahrzeugtechnik. Speziell im Windkraftbereich sowie bei Sicherheitsbauteilen ist der Bedarf an bruchmechanischen Prüfnachweisen zur Absicherung der Funktionsfähigkeit auch bei Extremfällen in den letzten Jahren stark gestiegen. Insbesondere der Sprödbruchnachweis hat sich aufgrund diverser Zertifizierungsrichtlinien als bruchmechanischer Materialnachweis für tiefe Einsatztemperaturen etabliert. Die Prüfung ist jedoch mit enormen Anlagen- und Probenkosten verbunden, weshalb Anschaffung und Betrieb solcher Anlagen für Gießereien (speziell für mittelständische Unternehmen) nicht ökonomisch realisierbar sind. Die Auftragsprüfung stellt ebenfalls einen großen Kostenfaktor dar, weshalb seit 2013 an der Hochschule Kempten ein alternatives Konzept auf Basis des instrumentierten Kerbschlagbiegeversuches entwickelt wird.

Servohydraulische Prüfanlage (Zwick HB100) der Hochschule Kempten bei einer J-Integral-Prüfung einer 1“ CT-Probe mit CTOD-Sensor nach ASTM E 1820. (Foto: HS Kempten)

Die Bruchmechanik ist grundsätzlich in zwei Bereiche zu trennen. Unter der linear elastischen Bruchmechanik (kurz LEBM) sind jene Konzepte gebündelt, welche das Material als linear-elastischesSystem betrachten. Als etabliertes Konzept aus der LEBM erfreut sich das Konzept auf der Basis des Spannungsintensitätsfaktors K (bzw. des Rissinitiierungswertes KIC) großer Bekanntheit. Aufgrundder Annahme eines linear-elastischen Materialverhaltens kann dieses Konzept strenggenommen nur für spröde Materialien angewendet werden. Daher kann die LEBM um ein sogenanntes „Kleinbereichfließen“ erweitert werden, welches minimale plastische Verformungen zulässt. Die Bestimmung des Spannungsintensitätsfaktors ist nach ASTM E 399 genormt und findet branchenübergreifend für eine große Anzahl an Werkstoffen Anwendung.Die Fließbruchmechanik (FBM) ist im Vergleich zur LEBM in der Lage, nichtlineare und plastische Bruchvorgänge zu beschreiben. Die Grenzen der Prüfung liegen hier nicht mehr im Bereich der theoretischen Erfassung der Verformung, sondern in der Bildung von Scherlippen, welche im Regelfall nicht erfasst werden. Ein bekanntes Konzept ist die Ermittlung der Rissöffnungsweite (Crack Tip Opening Displacement, kurz CTOD) oder des Rissöffnungswinkels (Crack Tip Opening Angle, kurz CTOA). Ein weiteres Konzept der FBM ist das Rissspitzenintegral J, welches die vorliegende Energie an der Rissspitze während des Rissfortschrittes abbildet und damit eine geometrisch unabhängige energetische Aussage zum Widerstand des Materials gegen Rissinitiierung und -ausbreitung bereitstellt.


Dipl.-Ing. (FH) Jakob Breiner und Prof. Dr.-Ing. Dierk Hartmann, Forschungszentrum Allgäu, Labor für Werkstofftechnik und Betriebsfestigkeit, Hochschule für angewandte Wissenschaften Kempten, Kempten, (Univ.) Prof. Dr.-Ing. Andreas Bührig-Polaczek, Gießerei Institut der RWTH Aachen, Aachen.

 

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pdf-Datei aus "GIESSEREI" Heft 9/2017 Seiten 32 - 37
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