Bruchmechanik
Die klassische Festigkeitslehre basiert auf der Vorstellung idealer, fehlerfreier Bauteile. In der Realität weisen sie aber meistens Unregelmässigkeiten und Fehler auf, z.B. scharfe Kerben, Ermüdungsrisse, Schweissfehler. Auch erfolgt der Bruch eines Bauteils in der Regel immer nach einem vorausgegangen Risswachstum. Das Verhalten von rissähnlichen Fehlern ist deshalb zentral in einem Sicherheitsnachweis. Im Allgemeinen ist ihr Einfluss durch die üblichen Sicherheitsmargen und die generellen Zähigkeitsanforderungen zwar implizit abgedeckt und bedarf keiner expliziten Berücksichtigung im Sicherheitsnachweis. Die Frage der Fehlerbewertung stellt sich aber beispielsweise dann, wenn in einem sicherheitsrelevanten Bauteil ein grösserer Riss entdeckt wird, wenn kritische Stellen einer risikobehafteten Anlage für eine Inspektion unzugänglich sind, oder wenn aus einem Schadenfall quantitative Lehren gezogen werden sollen.
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| Allgemeiner zeitlicher Ablauf des Bruchs eines Bauteils. |
Die lokalen Spannungszustände an einer Rissspitze und das lokale Bruchverhalten des Werkstoffs sind sehr komplex.
Bruchmechanik ist die Bezeichnung für den Bereich der Festkörpermechanik und der Materialtechnik, der sich mit dem Verhalten von Rissen befasst.
Die logische Struktur der Bruchmechanik lässt sich als Gebäude darstellen, das die globalen Kräfte und Deformation mit dem lokalen Bruchverhalten an einer Risspitze miteinander in Verbindung bringt. Diese Struktur ermöglicht es, mit angemessenem Aufwand Risssbeanspruchungsparameter (KI ; KII ; J) zu berechnen, und diese mit den experimentell bestimmten Risswiderstandseigenschaften (Bruchzähigkeit KIc ; JIc ) des Materials zu vergleichen.
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Möglichkeiten der Bruchmechanik:
- Beschreibung/Berechnung des mechanischen Verhaltens rissbehafteter Bauteile
- nachvollziehbare, quantitative Prognose des Rissverhaltens
- Charakterisierung des Werkstoffverhaltens in Anwesenheit von Rissen
- Zähigkeitsverhalten bei unterschiedlichen Beanspruchungsgeschwindigkeiten und schlagartiger Beanspruchung
Anwendungsgebiete:
- Fehlerbeurteilung
- Bruchsicherheitsnachweise
- Werkstoffprüfung
- Werkstoffoptimierung
- Safe-Life-Berechnungen
- Schadensanalyse
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| Einteilung der Rissausbreitungsprozesse in Arten und Mechanismen |
Mit bruchmechanischen Mitteln lässt sich die Phase der Rissausbreitung berechnen. Die Lebensdauer wir dabei massgeblich von der Länge der Phase des unterkritischen Risswachstums bestimmt. Es ist deshalb entscheidend, nicht nur die maximale Belastung und die Bruchzähigkeit des Werkstoffs, sondern auch die Lastgeschichte (Ermüdung) und das Werkstoffverhalten in der entsprechenden Umgebung (Spannungsrisskorrosion, Temperatur, Beanspruchungsgeschwindigkeit) zu kennen. Diese Aspekte erfordern spezielle Versuche, die weitgehend genormt sind.
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| Beispiel einer Normprobe zur
Messung der Bruchzähigkeit JIc: |
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