HANDOUT. Vorlesung: Glas-Grundlagen. Mechanische Eigenschaften

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1 Materialwissenschaft und Werkstofftechnik an der Universität des Saarlandes HANDOUT Vorlesung: Glas-Grundlagen Mechanische Eigenschaften Leitsatz: "Die große Schwankungsbreite der erreichten mechanischen Festigkeitswerte von Glas ließ schon sehr frühzeitig die berechtigte Frage nach der theoretisch überhaupt möglichen Festigkeit aufkommen. [...] Im allgemeinen liegt die effektive Festigkeit der Gläser bei etwa 50 MPa [...]. Geht man jedoch bei Festigkeitsmessungen an Gläsern auf kleinere Abmessungen der Prüfkörper über [...], dann stellt man nach Stockdale, Tooley und Ying eine Festigkeit von etwa 690 MPa fest. Sie steigt weiter auf den abnorm hohen Wert von etwa 3330 MPa an, wenn man schließlich dünne Glasfasern eines Durchmessers von etwa 3 µm untersucht." W. Vogel, Glaschemie, S. 411

2 Glas-Grundlagen Mechanische Eigenschaften Ziele Festigkeitsverhalten von Gläsern phänomenologisch beschreiben können sowie wichtige Einflussgrößen und Messmethoden zur Quantifizierung des Festigkeitsverhaltens von Gläsern bruchmechanisch und technologisch ableiten können. ð Bruchmechanische Kenngrößen quantifizieren können ð Mikrostrukturelle Einflussgrößen ableiten können ð Spannungszustände messtechnisch erfassen können ð Härte von Gläsern technologisch begründen können Inhalte Begriffe und Definitionen Bezeichnung mechanischer Kenngrößen Festigkeit Theoretische und effektive Festigkeit von Glas Mechanische Spannungen im Glas Doppelbrechung und spannungsoptische Koeffizienten Härte Mikrohärte, Schleifhärte, Messmethoden

3 Lerntafel 1 Spannungs-Dehnungs-Diagramm und Bezeichnungen mechanischer Kenngrößen Vergleich der Zugfestigkeiten und der E-Moduli von Werkstoffen

4 Bemessungs-Spannungs-Dehnungs-Diagramme verschiedener Werkstoffe, nach G. Neroth, D. Vollenschaar (Hrsg.), Wendehorst Baustoffkunde: Grundlagen Baustoff Oberflächenschutz, 2. Aufl., Vieweg+Teubner Verlag, 2011, ISBN Spannungs-Dehnungs-Verhalten einiger Werkstoffe (Auswahl) Viskoelastisches Materialverhalten (schematisch)

5 Lerntafel 2 Festigkeit von Glas mit bruchverursachenden Risstypen nach G. Neroth, D. Vollenschaar et al. Verknüpfung von Spannungen und Dehnungen durch 3x3-Matrix Rissöffnungsarten und zugehörige Spannungen

6 Vergleich der Bruchzähigkeiten von Werkstoffen Schematische Betrachtung: Spannungsintensitätsfaktor K IC und Bauteilversagen Bruchfläche einer Flachglasplatte mit Bruchspiegel, feiner und grober Rauheit, sowie Bruchgabelung nach Kerkhof

7 K IC und K IO in Abhängigkeit von den Umgebungsbedingungen nach G. Neroth, D. Vollenschaar et al. Empirische Formel zur Berechnung der Risswachstumsgeschwindigkeit in Gläsern und Materialkonstanten S,n. Rissausbreitungsgeschwindigkeiten, qualitative Darstellung Festigkeitsänderungen als Funktion der Zusammensetzung

8 A0: unbehandelt A1: Oberfläche grob beschädigt (P 80), unbeschichtet, thermisch behandelt A2: Oberfläche fein beschädigt (P 180), unbeschichtet, thermisch unbehandelt A3: Oberfläche fein beschädigt (P 180), unbeschichtet, thermisch behandelt B1: Oberfläche fein beschädigt (P 180), beschichtet (ca. 20 µm), thermisch behandelt B2: Oberfläche nicht beschädigt, beschichtet (ca. 20 µm), thermisch behandelt Weibull-Festigkeiten einiger technischer Gläser als Funktion der Beschädigung, Beschichtung und thermischen Behandlung, nach Clasen Lerntafel 3 Spannungspolarisation (Doppelbrechung) im Glas: positive und negative Indikatrix Optische Indikatrix und Doppelbrechung (schematisch) am Beispiel dreiachsiger Ellipsoid

9 Lerntafel 4 Vergleich der Methoden der Härtemessung Härteskala nach Mohs Härteprüfverfahren (Vergleich)