Herausgegeben von Horst Biermann und Lutz Krüger. Moderne Methoden der Werkstoffprüfung

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3 Herausgegeben von Horst Biermann und Lutz Krüger Moderne Methoden der Werkstoffprüfung

4 Beachten Sie bitte auch weitere interessante Titel zu diesem Thema Lange, G. (Hrsg) Systematische Beurteilung technischer Schadensfälle 6. Auflage 2014 Print ISBN: Oettel, H., Schumann, H. (Hrsg) Metallografie Mit einer Einführung in die Keramografie, 15. Auflage 2011 Print ISBN: Bertolini, L., Elsener, B., Pedeferri, P., Redaelli, E., Polder, R.B. Corrosion of Steel in Concrete Prevention, Diagnosis, Repair, 2. Auflage 2013 Print ISBN: Sharma, S.K. (Hrsg) Green Corrosion Chemistry and Engineering Opportunities and Challenges with a Foreword by Nabuk Okon Eddy 2012 Print ISBN: Callister, W.D., Rethwisch, D.G. Materialwissenschaften und Werkstofftechnik Eine Einführung Worch,H.,Pompe,W.,Schatt,W.(Hrsg) Werkstoffwissenschaft 10. Auflage 2011 Print ISBN: Krzyzanowski, M., Beynon, J.H., Farrugia, D.C. Oxide Scale Behavior in High Temperature Metal Processing 2010 Print ISBN: Christ, H. Ermüdungsverhalten metallischer Werkstoffe 2. Auflage 2009 Print ISBN: Print ISBN:

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6 Herausgegeben von Horst Biermann Institut für Werkstofftechnik Gustav-Zeuner-Str. 5 Lutz Krüger Institut für Werkstofftechnik Gustav-Zeuner-Str. 5 Alle Bücher von Wiley-VCH werden sorgfältig erarbeitet. Dennoch übernehmen Autoren, Herausgeber und Verlag in keinem Fall, einschließlich des vorliegenden Werkes, für die Richtigkeit von Angaben, Hinweisen und Ratschlägen sowie für eventuelle Druckfehler irgendeine Haftung. Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Boschstr. 12, Weinheim, Germany Alle Rechte, insbesondere die der Übersetzung in andere Sprachen, vorbehalten. Kein Teil dieses Buches darf ohne schriftliche Genehmigung des Verlages in irgendeiner Form durch Photokopie, Mikroverfilmung oder irgendein anderes Verfahren reproduziert oder in eine von Maschinen, insbesondere von Datenverarbeitungsmaschinen, verwendbare Sprache übertragen oder übersetzt werden. Die Wiedergabe von Warenbezeichnungen, Handelsnamen oder sonstigen Kennzeichen in diesem Buch berechtigt nicht zu der Annahme, dass diese von jedermann frei benutzt werden dürfen. Vielmehr kann es sich auch dann um eingetragene Warenzeichen oder sonstige gesetzlich geschützte Kennzeichen handeln, wenn sie nicht eigens als solche markiert sind. Umschlaggestaltung Adam Design, Weinheim Typesetting le-tex publishing services GmbH, Leipzig Druck und Bindung betz-druck GmbH, Darmstadt Print ISBN epdf ISBN epub ISBN Mobi ISBN obook ISBN Gedruckt auf säurefreiem Papier

7 V Inhaltsverzeichnis Vorwort XI Beitragsautoren XIII 1 BruchmechanischesVerhalten unterquasistatischer und dynamischer Beanspruchung 1 L. Krüger, P. Trubitz und S. Henschel 1.1 Einleitung Grundlagen Konzept der linear-elastischen Bruchmechanik Konzepte der Fließbruchmechanik Bruchzähigkeitsverhalten im spröd-duktilen Übergangsbereich das Master-Curve-Konzept Bruchmechanisches Verhalten unter hohen Beanspruchungsraten Experimentelle Bestimmung bruchmechanischer Kennwerte Probenformen, Probenvorbereitung Quasistatische Beanspruchung Dynamische Beanspruchung 29 Literatur 49 2 Kennwertermittlung bei zyklischem Langrisswachstum 53 S. Henkel und H. Biermann 2.1 Einführung Grundlagen Probenformen Kompaktzugprobe (CT-Probe) Einseitig gekerbte Biegeprobe (SENB-Probe) Plattenförmige Proben (CCT-Probe, SENT-Probe, ESET-Probe) Versuchsführung Risslängenbestimmung Optische Methoden Elastische Compliance-Messung Elektropotenzialmethode 67

8 VI Inhaltsverzeichnis Markerload-Technik Versuchsauswertung Ermittlung des Schwellenwertes Glättung der Messwerte Parameter der Paris-Erdogan-Gleichung Anpassung von kontinuierlichen Funktionen Statistik Zusammenfassung und Ausblick 78 Literatur 79 3 Ermüdung bei sehr hohen Lastspielzahlen (VHCF) 83 A. Weidner, D. Krewerth und H. Biermann 3.1 Einführung Werkstoffverhalten im VHCF-Bereich Typ I-Werkstoffe Typ II-Werkstoffe Gerätetechnik und Analyseverfahren Ultraschallprüftechnik Frequenzanalyse Nichtlinearitätsparameter Thermografie Fraktografie Aktuelle Forschungsergebnisse Aluminiumguss AlSi7Mg Stahlguss G-42CrMo Austenitischer Stahlguss G-X5CrNiMoNb Gusseisen mit Kugelgraphit und Graphitentartungen Zusammenfassung und Ausblick 115 Literatur Mehrachsige Werkstoffeigenschaften 121 S.Henkel,D.Kulawinski,S.AckermannundH.Biermann 4.1 Einleitung Planar-biaxiale Prüfung Konzepte für die Gestaltung von kreuzförmigen Proben Probengeometrie Ermittlung des tragenden Querschnittes und der Spannungen bei planar-biaxialer Prüfung Beispiele für die Bestimmung des mehrachsigen mechanischen Verhaltens Ermittlung statischer Fließkurven an Kreuzproben Zyklische LCF-Beanspruchung bei Raumtemperatur Zyklische Hochtemperaturermüdung Rissbahnkurven unter zyklischer Beanspruchung Ausblick 148 Literatur 150

9 Inhaltsverzeichnis VII 5 Thermomechanische Ermüdung 159 R. Kolmorgen und H. Biermann 5.1 Einleitung Experimentelle Vorgehensweise Versuchsführung Zyklusformen Probenformen Auswertung Lebensdauervorhersage Empirische Schadensparameter Bruchmechanische Vorgehensweise Eigene Untersuchungen Prüfaufbau Kesselstahl 16Mo Duplexstahl Lebensdauervorhersage am Beispiel des Duplexstahles Literatur DynamischeWerkstoffprüfung 181 D. Ehinger und L. Krüger 6.1 Einleitung Experimentelle Methoden Servohydraulische Prüfmaschinen Fallwerksaufbauten Pendelschlagwerke Rotationsschlagwerke Hopkinsonaufbauten Messkette und Messtechnik Werkstoffverhalten als Funktion von Temperatur und Dehnrate Modellgesetze Werkstoffbeispiele Experimentelle Ergebnisse Anwendung von empirischen und metallphysikalisch basierten Modellgesetzen 205 Literatur Moderne Methoden der Rasterelektronenmikroskopie 217 A. Weidner und H. Biermann 7.1 Einleitung Feldemissions-Rasterelektronenmikroskopie Wechselwirkung Elektronenstrahl-Materie Kontrastarten Sekundärelektronenkontrast (SE) Rückstreuelektronenkontrast (BSE) Der Electron Channelling-Kontrast zur Abbildung von Gitterdefekten 227

10 VIII Inhaltsverzeichnis Transmissionselektronenkontrast (t-sem) Analytische Verfahren der Rasterelektronenmikroskopie Energiedispersive Röntgenspektroskopie Rückstreuelektronenbeugung (EBSD) Kombinierte Anwendung von Rückstreuelektronenbeugung und energiedispersiver Röntgenspektroskopie Möglichkeiten zur in situ-charakterisierung im Rasterelektronenmikroskop Anwendungsbeispiele kombinierter abbildenderund analytischer Verfahren der Rasterelektronenmikroskopie Abbildung von Versetzungsanordnungen nach zyklischer Beanspruchung Abbildung einzelner Gitterdefekte Kombination von ECCI mit in situ-verformung interrupted monitoring Zusammenfassung und Ausblick 250 Literatur Röntgendiffraktometrie 255 D. Rafaja 8.1 WechselwirkungderRöntgenstrahlen mit der Materie Elastische Streuung der Röntgenstrahlen an Elektronen Interferenz der elastisch gestreuten Röntgenstrahlen Röntgenbeugung an defektfreien kristallinen Materialien Der Strukturfaktor Die Laue-Bedingungen und die Bragg-Gleichung Effekt der Kristallgröße Röntgenbeugung an mehreren Kristalliten Einfluss der Mikrostrukturdefekte auf das Röntgendiffraktogramm Punktdefekte Mikrodehnung Versetzungen Planare Defekte Turbostratische Kristallstrukturdefekte Instrumentelle Verbreiterung der Beugungslinien 293 Literatur Nanoindentierungsprüfung 299 M. Göken 9.1 Einleitung Von derklassischen Härteprüfung zur Nanoindentierungsprüfung Grenzen der klassischen Härteprüfung Tiefenregistrierende Härteprüfung Nanoindentierung Gerätetechnik, Indenterformen Kontaktmechanik 308

11 Inhaltsverzeichnis IX Kontaktmechanik (Vom Hertz schen Kontakt zu Sneddons Kontaktmodell) Die Oliver-Pharr-Methode Bestimmung der Fließspannung Der Constraint-Faktor Nanoindentierungen bei kleinen Lasten Phänomene und Anwendungen Anisotropie und Pile-up Diskontinuitäten in den Kraft-Eindringkurven Das Pop-in- Verhalten Einfluss von Eigenspannungen Größeneffekte Der Indentation-Size-Effect Anwendungsbeipiele (Biomaterialien, Superlegierungen, Korngrenzen) Neuere Nanoindentierungsmethoden jenseits von Härte und Elastizitätsmodul Dehnratenempfindlichkeit Hochtemperaturmessungen Indentierungskriechen 343 Literatur Röntgen-Tomografie 353 H. Berek, J. Hubálková und C.G. Aneziris 10.1 Übersicht Grundlagen der Röntgen-Tomografie Prinzip Kontrastentstehung und Abbildungsfehler In-situ-Untersuchungstechniken Quantitative Gefügeanalyse Anwendungsbeispiele Labor-Röntgen-Tomograf In-situ-Druckverformungseinrichtung In-situ-Verformung von MMC-Schäumen In-situ-Verformung von MMC-Wabenkörpern Schaumkeramik-Filter für die Metallschmelzefiltration Tauchausgussdüsen Salzbohrkerne Schaumglas Ausblick 381 Literatur Elektrochemische Korrosion 387 M. Mandel und L. Krüger 11.1 Einleitung Korrosionsarten Einflussfaktoren 388

12 X Inhaltsverzeichnis 11.4 Elektrochemische Grundlagen Ausgewählte Korrosionsprüfverfahren Potenziodynamische Polarisation Elektrochemische Impedanz-Spektroskopie Potenziodynamische Polarisation Bimetallkorrosion Dauertauchversuch Korrosionsprüfung unter wechselnden klimatischen Bedingungen 406 Literatur Verschleiß 415 R. Franke 12.1 Werkstoffwissenschaftliche Grundlagen Einführung Der Systemcharakter tribologischer Vorgänge Elemente und Wirkfaktoren eines tribologischen Systems Grundlagen der Reibung Grundlagen des Verschleißes Werkstoffe Auswahlkriterien Randschichten Auswahlkriterien Oberflächenbeschichtungen Randschichtumwandlungen Tribologische Prüfverfahren Messgrößen für tribologische Systeme Messgrößen für die Kontaktbedingungen Messgrößen für die Reibung Messgrößen für den Verschleiß Anwendungsbeispiel 439 Literatur 444 Sachverzeichnis 447

13 XI Vorwort In den vergangenen Jahren hat die Materialwissenschaft und Werkstofftechnik eine sehr dynamische Entwicklung erlebt, in der viele neue Prüf- und Analysemethoden nun auch auf standardisiertem Niveau betrieben werden. Daher ist es aktuell von hohem Interesse, diese Methoden für fortgeschrittene Studenten und junge Wissenschaftler aufzuarbeiten und diese in die Lage zu versetzen, sich zu den modernen Methoden einen Überblick zu verschaffen. Das Buch wendet sich daher an den Kreis von Master-Studenten und Doktoranden sowie Post-Docs, um ihnen einen Überblick über die Möglichkeiten und eine erste Einarbeitung in diese Methoden zu ermöglichen. Angesprochen werden Wissenschaftler in Industrie und Forschungseinrichtungen 1. der Materialwissenschaft und Werkstofftechnik, 2. des werkstofftechnischen Maschinenbaus und 3. der materialwissenschaftlichen Bereiche der Physik, sowie 4. des Wirtschaftsingenieurwesens mit werkstofftechnischer Vertiefung. Das Lehrbuch Moderne Methoden der Werkstoffprüfung führt auf wissenschaftlichanspruchsvollemniveau in ausgewählte Techniken der Werkstoff- und Materialprüfung insbesondere metallischer Werkstoffe ein. Im Fokus stehen hierbei die Verfahren zur Ermittlung von mechanischen und bruchmechanischen Eigenschaften unter den in der Anwendung auftretenden Beanspruchungsformen sowie die analytischen Methoden der Prüfung verformter, metallischer Werkstoffe zur Aufklärung von Struktur-Eigenschafts-Beziehungen. Weiterhin werden exemplarisch die Bereiche der Korrosion und des Verschleißes behandelt, die aufgrund ihrer vielfältigen Einflüsse als Systembeanspruchungen angesehen werden müssen, sodass es hier keine einfachen Kennwerte gibt. In den einzelnen Kapiteln werden jeweils für den Einsteiger die Grundlagen der Methoden vorgestellt. Danach folgen Darstellungen der modernen Prüf- bzw. Analysetechniken sowie Anwendungsbeispiele aus der aktuellen Forschungsarbeit, wobei es sich überwiegend um experimentelle Werkstoffe handelt. Die Kapitel werden jeweils auch mit Hinweisen auf die Fachliteratur ergänzt, um die Vertiefung durch weiterführendes Literaturstudium zu ermöglichen.

14 XII Vorwort Daher wird bewusst darauf verzichtet, die Standard-Verfahren, die in den etablierten Lehrbüchern der Werkstofftechnik und -prüfung in ausreichender Zahl bereits beschrieben sind, zu behandeln. Dabei erhebt das Buch auch nicht den Anspruch, die jeweiligen Methoden vollumfänglich zu beschreiben, hierfür wird auf die umfangreiche Spezialliteratur sowie auf die einschlägigen Prüfvorschriften und Normen verwiesen. Freiberg, September 2014 Horst Biermann, Lutz Krüger

15 XIII Beitragsautoren S. Ackermann Institut für Werkstofftechnik Gustav-Zeuner-Str. 5 C.G. Aneziris TU Bergakdemie Freiberg Institut für Keramik, Glas- und Baustofftechnik Agricolastr. 17 H. Berek Institut für Keramik, Glas- und Baustofftechnik Agricolastr. 17 H. Biermann Institut für Werkstofftechnik Gustav-Zeuner-Str. 5 D. Ehinger Institut für Werkstofftechnik Gustav-Zeuner-Str. 5 R. Franke IMA Materialforschung und Anwendungstechnik GmbH Wilhelmine-Reichard-Ring Dresden M. Göken Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg Dept. Werkstoffwissenschaften Lehrstuhl I Allgemeine Werkstoffeigenschaften Martensstr Erlangen S. Henkel Institut für Werkstofftechnik Gustav-Zeuner-Str. 5

16 XIV Beitragsautoren S. Henschel Institut für Werkstofftechnik Gustav-Zeuner-Str. 5 J. Hubálková Institut für Keramik, Glas- und Baustofftechnik Agricolastr. 17 R. Kolmorgen Institut für Werkstofftechnik Gustav-Zeuner-Str. 5 D. Krewerth Institut für Werkstofftechnik Gustav-Zeuner-Str. 5 L. Krüger Institut für Werkstofftechnik Gustav-Zeuner-Str. 5 D. Kulawinski Institut für Werkstofftechnik Gustav-Zeuner-Str. 5 M. Mandel Institut für Werkstofftechnik Gustav-Zeuner-Str. 5 D. Rafaja Institut für Werkstoffwissenschaft Gustav-Zeuner-Str. 5 P. Trubitz Institut für Werkstofftechnik Gustav-Zeuner-Str. 5 A. Weidner Institut für Werkstofftechnik Gustav-Zeuner-Str. 5

17 1 1 Bruchmechanisches Verhalten unter quasistatischer und dynamischer Beanspruchung L. Krüger, P. Trubitz und S. Henschel 1.1 Einleitung Im allgemeinen Maschinenbau werden Konstruktionen zunächst nach klassischen Festigkeitskriterien ausgelegt. Abbildung 1.1 zeigt an einer auf Zug beanspruchten Komponente, dass in einer Beanspruchungsanalyse die wirkenden Spannungen (Beanspruchung: vorhandene Spannung σ vorh ) ermittelt werden. Durch die experimentell zu bestimmenden Werkstoffkennwerte wird die Beanspruchbarkeit (zulässige Spannung σ zul ) charakterisiert. Für das gewählte Beispiel eines glatten, allmählich auf Zug beanspruchten Bauteils ergibt sich die Beanspruchungsgröße als σ vorh = F A. Die Bewertung bezüglich der Sicherheit des Bauteils, sich nicht plastisch zu verformen oder zu brechen, erfolgt über einen Vergleich der Beanspruchungsgröße mit der experimentell zu ermittelnden Beanspruchbarkeit. Mit σ vorh σ zul ist der Festigkeitsnachweis erbracht. Sind plastische Verformungen (Bauteildeformationen) unzulässig, dienen die Streckgrenze R e oder die 0,2 %-Dehngrenze R p0,2 als Werkstoffkennwert. Ist eine plastische Verformung zulässig und nur der Bruch des Bauteils auszuschließen, wird die Zugfestigkeit R m herangezogen. In der Praxis kann es jedoch zur Abweichung von den im Beispiel dargestellten idealisierten Beanspruchungsbedingungen kommen. Lokale Überlastungen durch Fehler in der Lastannahme, Eigenspannungen, stoß- bzw. schlagartige Beanspruchungen oder Kerben und Risse sind oft nicht auszuschließen. In der Folge kann die vorhandene Spannung deutlich höher als zunächst angenommen sein, wenn sich beispielsweise Last- und Ei- Moderne Methoden der Werkstoffprüfung, Erste Auflage. Horst Biermann und Lutz Krüger (Hrsg). 2015WILEY-VCHVerlagGmbH & Co. KGaA. Published2015 bywiley-vchverlaggmbh & Co. KGaA.

18 2 1 Bruchmechanisches Verhalten unter quasistatischer und dynamischer Beanspruchung Äußere Belastung F Abmessungen A K Sicherheitsbeiwert S wirkende Spannung σ vorh = F/A Beanspruchung Festigkeitsbedingung σ vorh σ zul σ vorh σ max = F/A zulässige Spannung σ zul = K/S N mm 2, MPa Beanspruchbarkeit σ zul = K/S S > 1 A F B eine äußere statische Zugbeanspruchung S Sicherheitsbeiwert, berücksichtigt Unsicherheiten in der Lastannahme (z. B. Überbeanspruchung) in der Spannungsberechnung (z. B. Eigenspannungen) in der Kennwertermittlung bzw. -veränderung durch Zeit, Temperatur, Neutronenbestrahlung u. a. Beanspruchungseinflüsse Abb. 1.1 Ablaufschema für die Festigkeitsberechnung am Beispiel einer quasistatisch zugbeanspruchten Komponente. genspannungen überlagern. Weiterhin können Spannungsspitzen existieren, welche die berechneten und als homogen angenommenen vorhandenen Spannungen deutlich übersteigen. Die im Nennspannungsnachweis übliche Forderung nach einem homogenen beanspruchten Querschnitt stimmt weiterhin oft nicht mit der Realität überein. In Bauteilen treten u. a. Lunker, Poren, Einschlüsse, Seigerungen oder Risse auf. Die Risse können durch die Fertigung (z. B. Schweiß-, Härte-, Schleif- oder Warmrisse) oder betriebsbedingt (z. B. Ermüdung oder Korrosion) entstehen. Dadurch erhöht sich die Kerbwirkung und es treten Spannungsspitzen auf. Die Frage ist, wie der Werkstoff auf diese Überbeanspruchungen reagiert. Eine besondere Gefahr für das Bauteil geht von Sprödbrüchen aus. Durch die Behinderung der Werkstoffplastifizierung ist der Abbau der Spannungskonzentrationen durch plastische Verformung stark eingeschränkt. Es treten meist verformungsarme Trennbrüche auf. Die instabile Rissausbreitung findet in BruchteilenvonSekundenstatt.InTab.1.1sindEinflussgrößen,derenWirkungund entsprechende Werkstoffaspekte zusammengefasst. Der Bewertung der Zähigkeit kommt eine große Bedeutung zu. Unter Zähigkeit wird die Fähigkeit des Werkstoffes verstanden, unter sprödbruchfördernden Beanspruchungen des Bauteils die Überbeanspruchungen (Spannungsspitzen) durch örtliche plastische Verformung abzubauen. Typische Prüfverfahren zur Bewertung der Zähigkeit kombinieren mehrere sprödbruchfördernde Bedingungen. Dementsprechend werden für das Übergangstemperaturkonzept im Kerbschlagbiegeversuch (engl. Charpy pendulum

19 1.1 Einleitung 3 Tab. 1.1 Sprödbruchfördernde Bedingungen. Einflussgrößen Wirkungsweise Werkstoffaspekte Konstruktive Gestaltung Fertigung Beanspruchungsbedingungen Umgebungsbedingungen Werkstoffgefüge Dehnungsbehinderung (engl. constraint) durch Kerben oder große Bauteilquerschnitte (mehrachsiger Spannungszustand) Oberflächenfehler und Anrisse durch Schweißen, Härten, Schleifen, Ausbildung komplexer Eigenspannungszustände schlagartige Krafteinwirkung, mehrachsiger Spannungszustand tiefe Temperaturen, Spannungsrisskorrosion, Neutronenversprödung Grobkorn, Ausscheidungen an Korngrenzen, Alterung, Verunreinigungen, nichtmetallische Einschlüsse Streckgrenze R e bzw. 0,2 %-Dehngrenze R p0,2 Kerbwirkung Streckgrenze R e bzw. 0,2 %-Dehngrenze R p0,2 T R e bzw. R p0,2, Kerbwirkung, Elektrolytwirkung Verformbarkeit impact test) [1] zur Bestimmung der Übergangstemperatur T t (Temperatur beim Übergang vom (duktilen) Verformungsbruch zum Sprödbruch; früher als TÜ bezeichnet) mehrere gekerbte Proben bei unterschiedlichen Prüftemperaturen schlagartig beansprucht und die verbrauchte Schlagenergie (z. B. KV, KU) bestimmt. Kennwerte des Kerbschlagbiegeversuchs sind Bestandteil sehr vieler Normen bzw. Materialdatenblätter. Sie dienen für bestimmte Werkstoffzustände als Qualitätskriterium, welche sich im praktischen Einsatzfall bereits bewährt haben. Der entscheidende Nachteil dieses Prüfverfahrens ist, dass die Kennwerte (z. B. KV, KV-T-Kurve, T t ) nicht zur Bauteilauslegung herangezogen werden können, da alle Ergebnisse nur für die jeweiligen Prüfbedingungen (Probengröße, Beanspruchungsgeschwindigkeit, Kerbung, Temperatur) gültig sind. Mit der Einführung des instrumentierten Kerbschlagbiegeversuchs [2] erhält man über die globale Energiebetrachtung hinausgehend detailliertere Informationen zum Versagenshergang. Aus dem gemessenen Kraft-Durchbiegungs-Verlauf lassen sich charakteristische Werte für das Verformungs- und Schädigungsverhalten (z. B. die Fließkraft F gy, die Kräfte für die Initiierung F iu und Arretierung F a des Spaltbruches) entnehmen (Abb. 1.2). Wie schon beim nicht instrumentierten Kerbschlagbiegeversuch sind diese Kennwerte nicht zur Bauteilauslegung geeignet.

20 4 1 Bruchmechanisches Verhalten unter quasistatischer und dynamischer Beanspruchung Abb. 1.2 Kraft-Durchbiegungs-Kurve (schematisch) und kennzeichnende Kräfte des instrumentierten Kerbschlagbiegeversuchs. Um die Übertragbarkeit der Ergebnisse einer dynamischen Beanspruchung auf Bauteile zu ermöglichen, werden im Grenztemperaturkonzept Proben in Bauteildicke mit scharfen Kerben verwendet. Durch die Analyse des temperaturabhängigen Verhaltens werden Grenztemperaturen (z. B. gegen Risseinleitung/-auslösung bzw. Rissauffang, s. Tab. 1.2) ermittelt. Weit verbreitet ist u. a. der Fallgewichtsversuch nach Batelle (engl. drop weight tear test, DWTT) [3], bei dem eine Risseinleitungstemperatur T i (i = Initiierung) ermittelt wird. Aus dem Bruchbild der gekerbten Biegeprobe (Dicke 8 20 mm) wird die (Grenz)Temperatur T G oder 50 % T G ermittelt, bei welcher der nichtkristalline Bruchanteil 50 % bzw. 85 % beträgt. 85 % Prüfverfahren basierend auf dem Rissauffangkonzept (z. B. Fallgewichtsversuch nach Pellini sowie Robertson-Test) dienen der Ermittlung einer Grenztemperatur, bei der ein sich instabil ausbreitender Riss gestoppt wird. Im Fallgewichtsversuch nach Pellini (engl. drop weight test, DWT) [4, 5] wird eine mm dicke Drei-Punkt-Biegeprobe schlagartig bis zur 0,2 %-Dehngrenze durchgebogen. Auf der Zugseite befindet sich eine gekerbte spröde Einlagenschweißraupe, in der unter schlagartiger Belastung ein Sprödbruch ausgelöst wird. Als Grenztemperatur (engl. nil-ductility transition temperature, NDT-Temperatur) gilt die Prüftemperatur, bei der die Probe den sich instabil ausbreitenden Riss nicht auffangen konnte, während bei zwei weiteren Proben und um 5 K höherer Prüftemperatur in beiden Fällen der Riss aufgefangen wird. Die NDT-Temperatur kann über die Temperaturabhängigkeit der im instrumentierten Kerbschlagbiegeversuch bestimmten Rissauffangkraft F a abgeschätzt werden [6, 7]. In einer Variante des Robertson-Versuches [8 10] wird ausgehend von einem unterkühlten Bereich ein instabil wachsender Riss in einer unter Zugspannung stehenden Platte ausgelöst. Da die Gegenseite der Platte erwärmt ist, läuft der Riss in Bereiche mit zunehmender Plastizität. Es wird die Temperatur (Crack Arrest Temperature, CAT) ermittelt, bei welcher der Riss gestoppt wird. Die Grenztemperaturen dienen zur Abschätzung einer minimalen Einsatztemperatur rissfreier Bauteile. Es kann jedoch keine Auslegung von Bauteilen mit

21 1.1 Einleitung 5 Tab. 1.2 Varianten des Grenztemperaturkonzepts. Rissauslösungskonzept Bewertung der Sprödbruchsicherheit durch Vermeidung der instabilen Rissausbreitung DWTT (Drop Weight Tear Test) Grenztemperaturen T G 50 %, T G 85 % Bewertung des Rissausbreitungswiderstandes von Grobblechen, Schmiedestücken und Schweißverbindungen Rissauffangkonzept Vermögen des Werkstoffes, einen sich mit hoher Geschwindigkeit im Bauteil instabil ausbreitenden Riss vor der Zerstörung aufzufangen DWT (Drop Weight Test, Pellini-Versuch) Nil-Ductility Transition (NDT)-Temperatur Robertson-Test Crack Arrest Temperature (CAT) (Rissauffangtemperatur) rissartigen Fehlern bei dynamischer Beanspruchung durchgeführt werden. Diese Zielstellung verfolgt die Bruchmechanik bei dynamischer Beanspruchung. Sowohl das Übergangs- als auch das Grenztemperaturkonzept erlauben keine Bauteilauslegung, da Bruchvorgänge festigkeits- und zähigkeitskontrolliert ablaufen. Während die klassische Vorgehensweise des Festigkeitsnachweises den tragenden Querschnitt als homogen (d. h. fehlerfrei ohne Poren, Lunker, Risse etc.) annimmt, treten in der Praxis Fehler in Form von Rissen bzw. rissähnlichen Spannungskonzentrationsstellen (engl. stress raisers) auf, welche oftmals den Ausgangspunkt für das Werkstoff- bzw. Bauteilversagen darstellen. Diese Fehler können bereits bei der Fertigung entstehen, werden jedoch nicht gefunden, da sie in der Fehlergröße unterhalb der Nachweisgrenze der zerstörungsfreien Prüfverfahren liegen. Eine weitere Möglichkeit ist, dass sich rissartige Defektstellen erst während der Verwendung des Bauteils unter Wirkung korrosiver, thermischer und/oder zyklischer Beanspruchungen bilden. Durch die Bruchmechanik soll die Bruchsicherheit von Bauteilen (Bauteilintegrität) unter Einbeziehung von Rissen oder rissähnlichen Spannungskonzentrationsstellen gewährleistet werden (Abb. 1.3). Es besteht ein quantitativer Zusammenhang zwischen der Belastung des Bauteils bzw. der Bauteilbeanspruchung, der Größe eines Risses oder einer rissartigen Spannungskonzentrationsstelle und der Werkstoffkenngröße, definiert als Werkstoffwiderstand gegen Risseinleitung oder Rissausbreitung. Die Bewertung des Werkstoffwiderstandes gegen Risseinleitung bzw. Rissinitiierung und Rissausbreitung kann unter statischer, dynamischer (schlagartiger) und zyklischer Beanspruchung erfolgen. Das Vermögen des Werkstoffes, einen

22 6 1 Bruchmechanisches Verhalten unter quasistatischer und dynamischer Beanspruchung Bauteilbeanspruchung statisch dynamisch zyklisch Werkstoffwiderstand (Bruchzähigkeit) instabile Rissausbreitung Sprödbruch LEBM stabile Rissausbreitung Verformungsbruch FBM Fehlergröße Herstellungs- und/oder beanspruchungsbedingte Risse oder rissähnliche Spannungskonzentrationsstellen, wie z. B. Lunker, Poren, Gasblasen Seigerungszonen Risse (Warmrisse, Spannungsrisse) schweißtechnisch bedingte Fehler Abb. 1.3 Prinzip des bruchmechanischen Sicherheitskonzeptes. Das bruchmechanische Dreieck, LEBM linear-elastische Bruchmechanik, FBM Fließbruchmechanik (modifiziert nach [11]). Riss aufzufangen (auch Rissarretierung, engl. crack arrest), kann unter statischen und dynamischen Beanspruchungen geprüft werden. Dadurch eröffnen sich für die Bruchmechanik die folgenden Anwendungsgebiete: Bruchmechanische Bauteilauslegung unter Einbeziehung zulässiger, nicht vermeidbarer Rissgrößen oder rissähnlicher Spannungskonzentrationsstellen. Die zulässige Spannung σ zul wird über die Bruchzähigkeit bestimmt. Bruchmechanische Nachrechnung konventionell ausgelegter Bauteile. Bewertung der Bruchsicherheit und Lebensdauer bei Annahme möglicher Risse oder rissartiger Spannungskonzentrationsstellen. Die sichere, d. h. zulässige Fehlergröße a zul wird ermittelt. Analyse von Schadensfällenund Ableitung von Maßnahmen für die zukünftige Schadensverhütung. Werkstoffentwicklung und -optimierung. 1.2 Grundlagen In Abhängigkeit von dem Vermögen des Werkstoffes, lokale Spannungsüberhöhungen durch plastische Verformungen abbauen zu können und der Größe der sich ausbildenden plastischen Zone in der Umgebung der Rissspitze existieren unterschiedliche Konzepte der Bruchmechanik. Üblicherweise wird in die linear-elastische Bruchmechanik (LEBM), die LEBM mit Kleinbereichsfließen und die Fließbruchmechanik (FBM) unterschieden. Bei Versagen eines rissbehafteten

23 1.2 Grundlagen 7 Rissbildung Bauteil (Probe) mit Riss Risseinleitung Rissausbreitung Arretierter Riss 7 instabil 1 stabil Sprödbruch Zähbruch Abb. 1.4 Möglichkeiten der Rissausbreitung (nach [10]). 5 allmähliches Risswachstum Schwingbruch Kriechbruch Spannungsrisskorrosion Bauteils durch plastische Instabilität kann die Bruchsicherheit mithilfe der plastischen Grenzlast abgeschätzt werden. Weitere Konzepte beschreiben den Rissfortschritt aufgrund zyklischer, thermischer und/oder korrosiver Beanspruchung. In der Bruchdynamik werden Beanspruchungssituationen, in denen Risse bei sehr hohen Belastungsraten initiiert werden, sowie das Ausbreitungs- und das Auffangverhalten schnell wachsender Risse betrachtet. In Abb. 1.4 sind unterschiedliche Möglichkeiten der Rissausbreitung und sich ergebende Versagenswege schematisch dargestellt [10]. Neben den drei Grundvarianten des instabilen, stabilen und allmählichen Risswachstums sind auch Wechsel im Rissausbreitungsmechanismus möglich. Beispielsweise kann ein sich zunächst stabil ausbreitender Riss beim Erreichen einer kritischen Rissgröße in die instabile Rissausbreitung und schließlich in den finalen Sprödbruch übergehen ( - - ). In einem anderen Fall wird der sich zwischenzeitlich instabil ausbreitende Riss aufgefangen bzw. arretiert ( ) Konzept der linear-elastischen Bruchmechanik In der linear-elastischen Bruchmechanik (LEBM) stehen zwei Konzepte zur Beschreibung des Werkstoffverhaltens vor der Rissspitze zur Verfügung: Spannungsverteilung vor der Rissspitze (Spannungsintensitätskonzept) und Energiebilanz bei der Rissausbreitung (Energiekonzept). Zur bruchmechanischen Bewertung hochfester und dabei relativ spröder Konstruktionswerkstoffe hat sich in der Praxis das Spannungsintensitätskonzept, auch K-Konzept genannt, durchgesetzt, welches nachfolgend näher erläutert wird.

24 8 1 Bruchmechanisches Verhalten unter quasistatischer und dynamischer Beanspruchung y σ z 2a W x B σ y B φ σ x r x σ y σ z Rissfront a z (a) σ (b) σ Abb. 1.5 Innenriss im Zugspannungsfeld gemäß dem Rissmodell von Griffith. (a) Unendlich ausgedehnte Platte mit durchgehendem Mittelriss; (b) Volumenelement mit Spannungskomponenten an der Rissspitze (modifiziert nach [10]). Tab. 1.3 Einfluss derproben-bzw.bauteildicke B auf die Spannungs- und Dehnungsverteilung vor der Rissspitze. B : Ebener Dehnungszustand (EDZ) ε z = 0, σ z = ν(σ z + σ y ) (ν Poisson sche Konstante) B : Ebener Spannungszustand (ESZ) σ z = 0, ε z = ν (E(σ x + σ y )), (E Elastizitätsmodul) Williams-Irwin-Gleichung [12]: bei φ = 0: σ x = σ y = σ πa 2πr Die Ausbildung eines mehrachsigen Spannungszustandes vor der Rissspitze in einer zugbeanspruchten Platte wird von der Verformungsbehinderung in z- Richtung in Abhängigkeit von der Plattendicke bzw. Bauteildicke B bestimmt (Abb. 1.5). In dünnen Platten bzw. dünnwandigen Bauteilen wird die Dehnung in z- Richtung nicht oder nur geringfügig behindert. Es wirkt der ebene Spannungszustand (ESZ). In dicken Platten bzw. dickwandigen Bauteilen wird die Dehnung in z-richtung behindert und ein dreiachsiger Spannungszustand erzeugt. Folglich liegt der ebene Dehnungszustand (EDZ) vor (Tab. 1.3). Der Betrag von σ z hängt von der Verformungsbehinderung in z-richtung ab. Für einen homogenen, isotropen und gleichmäßig zugbeanspruchten Körper, welcher einen durchgehenden Innenriss der Länge 2a aufweist (Abb. 1.5), wird das an der Rissspitze vorhandene Spannungsfeld unter den Voraussetzungen eines linear-elastischen Werkstoffverhaltens und r a < B, W mit der von Wes-

25 1.2 Grundlagen 9 Modus I Modus II Modus III F F y x z F F y x z F F y x z Abb. 1.6 Drei grundlegende Beanspruchungsarten eines Risses (Rissöffnungsmodi): Modus I (einfache Rissöffnung), Modus II (Längsscherung), Modus III (Querscherung) (modifiziert nach [10]). tergaard [13] vorgeschlagenen Spannungsfunktion beschrieben: σ ij = K 2πr f ij (φ). (1.1) σ ij sind die Spannungen in einem durch die Polarkoordinaten r und φ festgelegten Volumenelement vor der Rissspitze. Demzufolge steigen die Spannungen mit Annäherung an die Rissspitze proportional zu r 1 2 an und erreichen für den Fall r 0 einen unendlich hohen Wert (= Singularität des Spannungszustandes). Die Abhängigkeit von φ wird durch die dimensionslosen Funktionen f ij wiedergegeben. Nach Irwin [14] liegt für eine im Vergleich zur Rissgröße unendlich große Platte mit elastischem Werkstoffverhalten Sprödbruchgefahr vor, wenn ein kritischer Wert erreicht bzw. überschritten wird. Darauf basierend wird der Betrag der Spannungskomponenten σ x und σ y vor der Rissspitze durch den Spannungsintensitätsfaktor K beschrieben: K = σ πa. (1.2) Bestimmt von der Lage des Risses zur Beanspruchungsrichtung und der möglichen Relativbewegung der Rissoberflächen werden drei Rissöffnungsmodi bzw. die Spannungsintensitätsfaktoren K I, K II und K III unterschieden (Abb. 1.6). Modus I stellt die häufigste Beanspruchungsart dar. Er umfasst alle Normalbeanspruchungen, welche ein symmetrisches Öffnen des Risses bewirken. Es ist zudem der gefährlichste Versagensfall, sodass in der Praxis oft zunächst das Risswiderstandsverhalten unter diesen Bedingungen untersucht wird. Treten die grundlegenden Rissbeanspruchungsarten in Kombination auf, so wird dies mit Mixed-Mode-Beanspruchung bezeichnet. Für endlich ausgedehnte Platten bzw. Bauteilgeometrien, die dem Rissöffnungsmodus I unterliegen, berechnet sich der Spannungsintensitätsfaktor K I wie folgt: K I = σ πa f. (1.3) K I ist die bruchmechanische Beanspruchungsgröße, welche die Beanspruchung des Werkstoffes vor der Rissspitze charakterisiert. σ und a charakterisieren die

26 10 1 Bruchmechanisches Verhalten unter quasistatischer und dynamischer Beanspruchung ESZ Mischzustand EDZ K c max kritischer Spannungsintensitätsfaktor K, Q K c K Ic s B 2 K I Bauteildicke B B c = 2,5( Re ) Abb. 1.7 Einfluss der Platten- bzw. Bauteildicke B auf den kritischen Spannungsintensitätsfaktor K c für den Rissöffnungsmodus I, schematische Veränderung des Versagensbildesin Abhängigkeitvon B mit Übergang vom Scherbruch (ESZ) zum Normalspannungsbruch (EDZ); s kennzeichnet die Breite der Scherlippen (modifiziert nach [10]). wirkende Spannung, bezogen auf den ungeschwächten Querschnitt sowie die Risslänge. Der Geometriefaktor f ist eine Korrekturfunktion und berücksichtigt die Rissform, die Rissart sowie die Bauteilgeometrie (abhängig vom (a W )- Verhältnis). Die K-Faktoren sind abhängig von der Rissöffnungsart und können mithilfe von elastizitätstheoretischen und numerischen Verfahren sowie experimentellen Methoden ermittelt werden. Eine Zusammenfassung von K-Lösungen für zahlreiche Beanspruchungssituationen wird in Nachschlagewerken gegeben [15, 16]. Zur Bewertung der Sicherheit gegen Bruch eines mechanisch beanspruchten, rissbehafteten Bauteils wird die berechnete Beanspruchungsgröße K I mit dem experimentell bestimmten bruchmechanischen Werkstoffkennwert K Ic (auch als kritischer Spannungsintensitätsfaktor oder Bruchzähigkeit bezeichnet) verglichen: K I = σ K Ic Sprödbruch πa f < K Ic Sprödbruchsicherheit bei statischer (1.4) Beanspruchung. Die Bruchzähigkeit K Q bzw. K c ist im K-Konzept bei Wirkung des ebenen Spannungszustandes (ESZ) oder bei Mischzuständen aus ESZ und ebenem Dehnungszustand (EDZ) von der Platten- bzw. Bauteildicke B abhängig (Abb. 1.7). Erst beim Erreichen bzw. Überschreiten einer vom Werkstoff abhängigen Mindestbauteildicke B c stellt sich der untere Grenzwert K Ic (geometrieunabhängig) ein und die Bedingungen des EDZ sind erfüllt. Für zahlreiche hochfeste und dennoch duktile Werkstoffe, wie sie im Kraftwerks-, Stahl- und Maschinenbau eingesetzt werden, findet vor der beanspruchten Rissspitze Kleinbereichsfließen (engl. small scale yielding) statt. Die Größe der plastischen Zone r pl bildet sich über die Plattendicke B aufgrund der Wirkung

27 1.2 Grundlagen 11 σ Probenmitte Oberfläche ESZ Oberfläche y z B r pl Rissspitze x W Hundeknochen EDZ σ Abb. 1.8 Modell der plastischen Zone beim Kleinbereichsfließen in einem dickwandigen Bauteil (modifiziert nach [17, 18]). des ebenen Spannungszustandes (ESZ) an der Oberfläche und des ebenen Dehnungszustandes (EDZ) in der Probenmitte aus. Folglich ähnelt die Form der plastischen Zone einem Hundeknochen, beschrieben durch das gleichnamige Dogbone-model (Abb. 1.8). 3D-FEM-Berechnungen haben jedoch gezeigt, dass die tatsächliche Form und Größe der plastischen Zone von dieser Modellvorstellung abweichen [10]. Mit Kenntnis der Streckgrenze R e bzw. der 0,2 %-Dehngrenze R p0,2 und der Poisson schen Konstante ν des Werkstoffes lässt sich die Größe der plastischen Zone im Ligament abschätzen [10]: ( KI ) 2 (1.5) r pl = 1 2π R e für den ebenen Spannungszustand (ESZ) und ( KI ) 2 (1 2ν) 2 (1.6) r pl = 1 2π R e für den ebenen Dehnungszustand (EDZ). Demnach ergibt sich die effektive Risslänge a eff aus der Ausgangsrisslänge a 0 und dem Radius der plastischen Zone r pl : a eff = a 0 + r pl. (1.7) Unter der Voraussetzung, dass die plastische Zone im Vergleich zu den Bauteildimensionen deutlich kleiner ist (d. h. r pl W, B), berechnet sich der effektive Spannungsintensitätsfaktor im Rissöffnungsmodus I, K Ieff,wiefolgt: K Ieff = σ ( aeff ) πa eff f. (1.8) W

28 12 1 Bruchmechanisches Verhalten unter quasistatischer und dynamischer Beanspruchung Die Erweiterung der LEBM auf das Kleinbereichsfließen setzt voraus, dass die Vorgänge in der plastischen Zone eindeutig von der umgebenden K-dominierten Region bestimmt werden Konzepte der Fließbruchmechanik Sind die Forderungen nach Kleinheit der plastischen Zone vor der Rissspitze nicht mehr erfüllt, tritt ein sich über mehrere Stadien erstreckendes duktiles Bruchverhalten ein. Dies wird mit der Fließbruchmechanik (FBM) beschrieben.in metallischen Werkstoffen werden Gleitvorgänge in der plastischen Zone beobachtet, die zu einer Abstumpfung und Vorwölbung der Rissspitze, dem crack tip blunting, und der Ausbildung der sog. Stretchzone, der Bildung von Poren bzw. Hohlräumen und deren Zusammenschluss führen, ehe die eigentliche stabile Rissausbreitung einsetzt (Abb. 1.9). Bei hochzähen Stählen kann die Ausbildung von Mehrfachstretchzonen beobachtet werden. Rissabstumpfungsgerade Risswiderstandskurve J-Integral, CTOD J i, δ i stabile Rissausbreitung Stretchzone Gewaltbruch Riss SZB C SZH C Rissspitze SZB C SZH C = kritische Stretchzonenhöhe SZB C = kritische Stretchzonenbreite Rissausbreitung Δa Entstehen der Stretchzone 3. Lastzunahme δ i Entstehen von Hohlräumen vor der Rissspitze Zusammenwachsen der Hohlräume und Risseinleitung, Bildung der Stretchzone abgeschlossen SZH C SZB C 6. Stabile Rissausbreitung Δa Abb. 1.9 Risswiderstandskurve mit den Veränderungen an der Rissspitze sowie schematische Darstellung der Stretchzone an der Rissspitze (modifiziert nach [10]).

29 1.2 Grundlagen 13 Das duktile Werkstoffverhalten und die ablaufenden Schädigungsmechanismen werden in den fließbruchmechanischen Konzepten CTOD- und J-Integral- Konzept sowie bei der entsprechenden Kennwertbestimmung berücksichtigt. Das von Wells [19] entwickelte CTOD (engl. crack tip opening displacement)- Konzept definiert eine Rissspitzenöffnung δ nach dem Dugdale-Modell: δ = 8R ea πe ln sec ( π 2 ) σ R e mit der Streckgrenze R e. Approximiert nach σ R e < 0,6 gilt (1.9) δ = πσ2 a ER e. (1.10) Das Bruchsicherheitskriterium ist erfüllt, wenn δ Bauteil < δ c gilt. δ c ist der experimentell zu ermittelnde Werkstoffwiderstand und entspricht dem Beginn der stabilen Rissausbreitung bei duktilem Werkstoffverhalten. δ c wird auch als kritische Rissspitzenöffnung bezeichnet. Zur Erweiterung der Fließbruchmechanik und zur Abbildung eines nichtlinear-elastischen Werkstoffverhaltens führten Cherepanov [20] und Rice [21] das energiebasierte J-Integral-Konzept ein. Das J-Integral dient analog zum Spannungsintensitätsfaktor K der linear-elastischen Bruchmechanik als wesentlicher Kennwert zur Beschreibung des Spannungs- und Verschiebungsfeldes an der Rissspitze. Diese Beschreibung erfolgt weitgehend unabhängig vom Integrationsweg, sodass auch größere Fließbereiche vor der Rissspitze betrachtet werden können. Das J-Integral charakterisiert dabei die Änderung der potenziellen Energie bzw. Formänderungsenergie du vor der sich bildenden Rissfläche da = B da [22] bzw. vereinfacht bei einer Rissverlängerung da [21] (engl.strain energy). J = du da = 1 du B da Nach Rice, Paris und Merkle [23] gilt als Näherungslösung: (1.11) U J = η B(W a 0 ). (1.12) η ist von der Probengeometrie und der Belastungsart abhängig. Da die Vorgänge in Umgebung der plastischen Zone nun von einer J-dominanten Region bestimmt werden, lautet das Bruchsicherheitskriterium J Bauteil < J c. Hierbei charakterisiert J c den experimentell zu ermittelnden Werkstoffwiderstand gegen Risseinleitung bzw. den Beginn der stabilen Rissausbreitung bei duktilem Werkstoffverhalten. Ausgehend von einer kleinen plastischen Zone um die Rissspitze und einer reinen Modus I-Beanspruchung gelten die Zusammenhänge [10]: J I = K 2 I E (1.13)

30 14 1 Bruchmechanisches Verhalten unter quasistatischer und dynamischer Beanspruchung für den ESZ und für den EDZ. J I = K 2 I (1 ν2 ) E (1.14) Bruchzähigkeitsverhalten im spröd-duktilen Übergangsbereich dasmaster-curve-konzept Für Stähle mit kubisch-raumzentriertem Gittertyp ist ein ausgeprägtes Übergangsverhalten der Kerbschlagarbeit und der Bruchzähigkeit mit der Prüftemperatur bekannt. In der Tieflage findet spaltflächige Rissausbreitung und in der Hochlage duktile Rissausbreitung statt. Im unteren spröd-duktilen Übergangsbereich versagt der Werkstoff nach unterschiedlichen Beträgen der Plastifizierung desligamentes(w a 0 ). Im oberen Übergangsbereich wirken beide Bruchmechanismen. Zunächst bildet sich eine plastische Zone aus und nach einer duktilen Rissinitiierung sowie stabilem Rissfortschritt setzt der instabile Spaltbruch ein. Dieser Übergangsbereich ist durch eine deutlich höhere Streuung der Zähigkeitskennwerte gekennzeichnet. In der Tieflage tritt Spaltbruch auf und die Bruchzähigkeit K Ic des Werkstoffes wird üblicherweise nach entsprechenden Prüfnormen wie z. B. der ASTM E399 [24] bestimmt. Die Einleitung der spaltflächigen Rissausbreitung ist ein spannungskontrollierter Prozess. Lokale Spannungen und Dehnungen führen zu einem Aufstau von Versetzungen an Korngrenzen oder Karbiden, sodass sich ein gebildeter Mikroriss mit hoher Geschwindigkeit ausbreitet. Weiterhin wird in der Tieflage der Spaltbruch an mehreren Schwachstellen des Gefüges initiiert. Mit zunehmender Temperatur sind größere, einzelne Schwachstellen im Werkstoff für die Auslösung eines Spaltbruches notwendig [25] (Abb. 1.10). Da technische Werkstoffe immer Gefügeinhomogenitäten aufweisen, werden die Initiierung des Spaltbruches und der makroskopische Sprödbruch als statistischerprozessbetrachtet, deraus einemweakest-link-modell und einem statisti- spröd-duktiler Übergang Tieflage Rissausbreitung Abb Typische Bruchflächen von angerissenen Proben mit Unterschieden im Bruchverhalten (modifiziert nach [25]).