Experimentelle Bestimmung bruchmechanischer Kennwerte für ferritische Gusseisenwerkstoffe

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1 Experimentelle Bestimmung bruchmechanischer Kennwerte für ferritische Gusseisenwerkstoffe G. Pusch Gliederung 1. Einführung 1.1 Regelwerke 1.2 Anwendungsbeispiele 1.3 Prüfstandards 2. Statische Beanspruchung 2.1 K-Konzept 2.2 Fließbruchmechanik 3. Dynamische Beanspruchung 3.1 Kennwertdefinition 3.2 Anwendung 1

2 Erich Kästner: sich selbst zum 40.Geburtstag Du weißt mein Bester, dass ich nicht beschönige. Deshalb vergiss nicht, was man sehr leicht vergisst: Doppelt so alt, wie du heute geworden bist, werden nur wenige.

3 Im Rahmen der Feier zum 225. Jahrestag der Gründung der Bergakademie Freiberg wurde am 13. November 1990 durch die Fakultät für Technische Wissenschaften die Ehrendoktorwürde an Prof. Dr.-Ing. habil. Horst Blumenauer verliehen. 3

4 H. Blumenauer: Die Bruchmechanik hat - im Grenzbereich von Werkstoffwissenschaft und Festkörpermechanik Konzepte entwickelt, mit denen die Sicherheit gegen Versagen durch Bruch bzw. die Restlebensdauer rissgeschädigter Bauteile quantitativ bewertet werden kann. Sie ist damit in vielen Bereichen der Technik, nicht nur in der Kerntechnik, zu einem unentbehrlichen Werkzeug bei Sicherheits- und Risikoanalysen geworden. 4

5 Anwendungsbeispiele: IWT, TU Bergakademie Freiberg BMU Projekt 5

6 Gusseisenwerkstoffe in Komponenten von Windkraftanlagen Rotornabe Getriebegehäuse Blattadapter Planetenträger Generatorgehäuse Lagergehäuse Rotorwelle Drehmomentenstütze Grundrahmen 6

7 1. Einführung Normen: Bestimmung bruchmechanischer Kennwerte ESIS P2-92: Procedure für determining the fracture behaviour of metallic materials. European Structural Integrity Society, Delft, Jan ISO 12135: Metallic materials Unified method of test fort he determination of quasistatic fracture toughness. Dezember 2002 ASTM E 1820: Standard Test Method for Measurement of Fracture Toughness. ASTM International, 2012 ISO/NWIP 26843: Metallic materials Measurement of fractur toughness of steels at impact loading rates using precracked charpy specimens 7

8 1. Einführung Regelwerke: Bruchmechanische Kennwerte und Bauteilbewertung 8

9 2. Statische Beanspruchung Spannungsintensitätskonzept (K-Konzept) 9

10 2. Statische Beanspruchung - Fließbruchmechanik Schädigungsprozesse vor der Rissspitze und Rissinitiierung bei ferritischem Gusseisen GJS (schematisch) 10

11 Definition der Rissinitiierung Quelle: H. Blumenauer und Mitarbeiter Ausgangsrisslänge Rissöffnung δ Rissabstumpfung stretchen Stretchzonenhöhe (kritisch) Rissausbreitung (stabil) Stretchzonenbreite (kritisch) 11

12 2. Statische Beanspruchung Bestimmung der kritischen Stretchzonenbreite 12

13 2. Statische Beanspruchung 3D-Darstellung der Stretchzone und Einzelschnitt 13

14 2. Statische Beanspruchung - Fließbruchmechanik In-situ-Versuche im REM 1 Teilchen vor dem Ermüdungsriss Abgelöstes Teilchen in der plastischen Zone 3 Plastische Verformung im Bereich eines Graphit-teilchens in der plastischen Zone dicht unter der Probenoberfläche Beginn der Schädigung Beginn der stabilen Rissausbreitung 1 Zunahme der äußeren Belastung und Mikrorissbildung am Teilchen 3 in Richtung des Ermüdungsrisses 14

15 2. Statische Beanspruchung - Fließbruchmechanik In-situ-Versuche im REM (Stabile Rissausbreitung in ferritischem GJS) In-situ -Zugversuch an rissbehafteten Proben aus GJS-400 a) schematisch b) Beginn der Rissspitzenöffnung c) Rissspritzenöffnung und Ablösung der Graphitteilchen von der ferritischen Matrix (Pfeil kennzeichnet die ursprüngliche Rissspitze) d) Stabile Rissausbreitung bis zum Bruch 15

16 2. Statische Beanspruchung - Fließbruchmechanik 16

17 2. Statische Beanspruchung - Versuchsdurchführung Messplatz mit geöffneter Temperierkammer Compliance-Methode 17

18 2. Statische Beanspruchung REM-Analyse des a-bereiches statisch beanspruchter SENB-Proben 18

19 2. Statische Beanspruchung Verlauf und Auswertung der J R -Kurve für GJS bei -40 C J = 3,75 R m a 19

20 Analytische Bestimmung bruchmechanischer Kennwerte (statisch) Porenwachstumsmodell nach Ritchie Dehnungskontrollierte Rissbildung F Modellwerkstoff F Bruchfläche GJS-400 (REM) Dehnungsverteilung φ (x) ϕ ϕ c l c ϕ (x) x λ Risswachstum: φ (x) φ c in der Prozesszone J i = const. (R p ϕ φ c = A (Bruchdehnung) R p = R p0,2 (0,2 Dehngrenze) l c = λ (mittlerer Graphitteilchenabstand) Ji = const. (Rp0, 2 c l c ) A λ) 20

21 J i - Werte für GJS-400 in Abhängigkeit vom Gefüge J i = 4,6( λ R p0,2 A 5 ) + 11,3 kjm 2 21

22 3. Dynamische Beanspruchung 1991 H. Blumenauer, E. Schick, R. Ortmann: Risswiderstandskurven duktiler Stähle bei statischer und schlagartiger Beanspruchung 22

23 3. Dynamische Beanspruchung Versuchsablauf Instrumentiertes Pendelschlagwerk PSd300/150 des IWT der TU Bergakademie Freiberg mit variabler Hammerpositionierung sowie der Mess- und Regiestriertechnik für Kraft und Schlagwinkel 23

24 3. Dynamische Beanspruchung Versuchsablauf Stabile Rissausbreitung Stabile Rissausbreitung mit lokaler instabiler Rissausbreitung im Ergebnis von Gefügeheterogenitäten Bruchflächen 24

25 3. Dynamische Beanspruchung Vergleich Bruchflächen mit a-bereich für Stahl Gusseisen 25

26 3. Dynamische Beanspruchung Beispiel für pop-in -Effekt GJS 400, Perlitanteil 29% 26

27 3. Dynamische Beanspruchung Stabile spaltflächige Rissausbreitung Rissauffang an einer Graphitbarriere Spaltflächige Rissausbreitung auf der Bruchfläche der SE(B)10-Probe bei -40 C 27

28 Erich Kästner Wer wagt es, sich den donnernden Zügen entgegenzustellen? die kleinen Blumen, zwischen den Eisenbahnschwellen! 28

29 Gerhard Pusch Wer wagt es, sich rasenden Rissen entgegenzustellen? spaltflächige Rissausbreitung die kleinen tapferen Graphitteilchen, an den richtigen Stellen! 29

30 3. Dynamische Beanspruchung J d - a-kurve bei -40 C und Definition des dynamischen Rissinitiierungswertes 30

31 3. Dynamische Beanspruchung Anwendung Vergleich Großprobe-Kleinprobe Impulsprüfstand für dynamische Bruchmechanikversuche an SE(B)140-Probe Quelle: BAM Berlin 31

32 3. Dynamische Beanspruchung SE(B)140 - G5A J dc = 39 kj/m 2 spaltflächige Rissausbreitung 32

33 3. Dynamische Beanspruchung Anwendung Vergleich Großprobe-Kleinprobe Probenahme der SE(B)10-Proben Einordnung des Mittelwertes J d (K Id ) der SE(B)140-Proben in die gemittelte Stichprobe der J d - a-kurve der SE(B)10-Proben (-40 C)

34 3. Dynamische Beanspruchung Anwendung Einfluss Gefüge, Graphitteilchengröße a) Dynamische J dr -Kurven bei -40 C b) a) GJS(38): d G = 38 µm, d F = 45 µm b) GJS(62): d G = 62 µm, d F = 63 µm 34

35 3. Dynamische Beanspruchung Anwendung Einfluss Prüftemperatur J d - a-kurven in Abhängigkeit von der Temperatur von SE(B)10-Proben der Großprobe

36 3. Dynamische Beanspruchung Anwendung Einfluss Beanspruchungsgeschwindigkeit Werkstoff: GJS, ferritisch, Graphitteilchengröße: 62 µm Beanspruchung statisch -40 C dynamisch -40 C J i/bl = 28 kj/m 2 J id/ a=0 = 17 kj/m 2 36

37 3. Dynamische Beanspruchung BDG-Richtlinie P 300: Bestimmung dynamischer Bruchzähigkeitswerte ferritischer Gusseisenwerkstoffe 37

38 Ein Onkel, der etwas mitbringt, ist angenehmer zu ertragen, W. Busch als eine Tante, die Klavier spielt!

39 Schloss Freudenstein

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41 Rhodochrosit aus Peru Aquamarin aus Brasilien Calcit auf Psilomelan aus Namibia Chalkopyrit mit Quarz, Fundort: Mina Animon in Peru

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