HANDOUT. Vorlesung: Feuerfestwerkstoffe. Grundlagen Bruchmechanik, plastische Deformation, Thermoschock

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1 Materialwissenschaft und Werkstofftechnik an der Universität des Saarlandes HANDOUT Vorlesung: Feuerfestwerkstoffe Grundlagen Bruchmechanik, plastische Deformation, Thermoschock Leitsatz: Die Thermoschockempfindlichkeit ist für feuerfeste Werkstoffe eine der wesentlichsten Eigenschaften, da von ihr vor allem in periodischen Schmelz- und Ofenaggregaten in hohem Masse die Haltbarkeit abhängt. [...] Oft kann das Thermoschockverhalten der feuerfesten Werkstoffe über physikalische Eigenschaften durch die Berechnung der Wärmespannungsparameter abgeschätzt werden. Obwohl solche theoretischen Überlegungen nicht immer mit den praktischen Erfahrungen übereinstimmen, dienen sie jedoch zum besseren Verständnis der Vorgänge bei thermischer Wechselbeanspruchung. Quelle: [GL-1, S ]

2 Feuerfestwerkstoffe Grundlagen Bruchmechanik, plastische Deformation, Thermoschock Ziele Grundlegende bruchmechanische und thermomechanische Eigenschaften feuerfester Werkstoffe unter materialwissenschaftlichen, werkstofftechnischen und technologischen Aspekten beschreiben können: ð Bruchmechanische Grundlagen herleiten können ð Thermisch aktivierte Verformung beschreiben können ð Thermoschockverhalten von FF-Werkstoffen theoretisch herleiten und anwenden können Inhalte Bruchmechanik keramischer Werkstoffe LEBM-Konzepte, R-Kurvenverhalten, Steigerung Risswiderstand, Bruchenergie Plastische Deformation Verformungsverfestigung, Korngrenzengleiten, Kriechmechanismen, Kriechdiagramme, Beispiele Thermoschock Thermoschockparameter, Thermomechanik zellularer Werkstoffe, Beispiele

3 Lerntafel 1 Bruchmechanik keramischer Werkstoffe (Wiederholung) Rissöffnungsmodi für einen Oberflächenriss in einer Platte Linear-elastische Bruchmechanik (LEBM): Bruchenergiekonzept Linear-elastische Bruchmechanik (LEBM): Bruchenergiekonzept

4 Linear-elastische Bruchmechanik (LEBM): Spannungsintensitätskonzept Schematische Darstellung einer konstanten R-Kurve (K Ic ; R 0 = konstant) (links, unten) und einer ansteigenden R-Kurve mit Plateau (rechts, unten) (K R : kritischen Spannungsintensitätsfaktor; R C für die Bruchenergie). Nur wenn die vordere Rissprozesszone im Vergleich zur Probengröße klein ist, erhält man eine typische R-Kurve mit Plateauwert.

5 Schematische Darstellung einer Last-Verschiebungskurve bei wiederholter Belastung. Die gekennzeichnete Fläche entspricht der Arbeit, die bei einem Rissfortschritt um Δa verbraucht wird. Die für den Rissfortschritt von Punkt A nach Punkt C zu leistende Arbeit entspricht der Fläche ACDB. Schematische Last-Verschiebungskurve mit Entlastungs- Wiederbelastungshysterese. Die Tangente am letzten Teilstück bei Wiederbelastung geht durch den Ursprung. Die Compliance ist die Steigung der Mittellinie von Entlastungs- und Wiederbelastungs-Hysterese Mechanismen zur Steigerung des Risswiderstandes

6 Bestimmung der für den Rissfortschritt aufgewendeten Energie ΔU aus dem Last-Verschiebungsdiagramm Schematische Darstellung eines Last-Verschiebungsdiagramms nach Nakayama [45] bei a) instabilem Rissfortschritt, b) teilweise stabilem Rissfortschritt und c) stabilem Rissfortschritt (links) und schematischer Aufbau a) des notched beam und b) work-of-fracture Tests

7 Lerntafel 2 Plastische Deformation und thermisch aktivierte Prozesse Mechanismus der plastischen Deformation: Aktivierung von Gleitebenen Mechanismus der Verformungsverfestigung

8 Thermisch aktiviertes Gleiten über Korngrenzen Pinnen von Versetzungen: PC-MgO ( solute hardening ) Kriechdiagramm und Kriechstadien

9 Kriechmechanismen: Versetzungskriechen Kriechmechanismen: Diffusionskontrolliertes Kriechen Kriechmechanismen: 3. Korngrenzengleiten

10 Lösungs-/Ausscheidungsmechanismus Tertiäres Kriechen und Porenbildung: Porenverteilung Kriech-Diagramm polykristalline Keramik

11 Kriechdiagramm Al 2 O 3 (d = 100 µm) Zustandsdiagramm des Systems Al 2 O 3 -TiO 2

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15 Lerntafel 3 Thermoschock Festigkeit von thermogeschockten Biegeproben nach Hasselman Energiefreisetzungsrate nach Hsselman

16 Definition der Thermoschockparameter R, R und R nach Hasselman Anpassung des thermomechan. Verhaltens: Mikrostrukturparameter Anpassung des thermomechan. Verhaltens: Parametereinfluss (Zusammenfassung)

17 Minimaler Thermoschock zur Initiierung von Rissfortpflanzung als Funktion der Anfangsrisslänge und der Rissdichte N (gestrichelt: Endrisslänge nach Bruch) Thermomechanisches Verhalten: Festigkeitskontrolliertes Versagen Parameter für festigkeitskontrolliertes Versagen

18 Thermomechanisches Verhalten: Zähigkeitskontrolliertes Versagen Thermomechanische Eigenschaften keramischer Festkörperschwämme E-Modul-Porositäts-Zusammenhang am Beispiel von MgO-C-Kompositen

19 Grundkonzept: Gefügedesign von MgO-C Feuerfestwerkstoffen MgO-C-Komposite: Einfluss von Antioxidantien

20 Werkstoffdesign von MgO-C-Kompositen Gefügedesign von MgO-C Feuerfestwerkstoffen: Mikrostruktur von zellularem Kohlenstoff Gefügedesign von MgO-C Feuerfestwerkstoffen Prozesskette zur Herstellung von FF-MgO-C mit zellularer C-Matrix

21 Thermische Leitfähigkeit von zellularem Kohlenstoff Thermoschockverhalten keramsicher Ftestkörperschwämme Mechanische Eigenschaften keramischer Schäume