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Vorlesung Schadensanalyse
Bewertung von Rissen in Bauteilen
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Allgemein: Untersuchungsverfahren
MetallographieMechanische Prüfung• Härteprüfung• statische Festigkeitsprüfung• Festigkeitsprüfung bei
schlagartiger Beanspruchung
• zyklische Festigkeitsprüfung• bruchmechanische Prüfung• mechanisch-thermische
Festigkeitsprüfung• Bauteil-Prüfung
• nicht geätzt bzw. geätzte Schliffe
• Makro- bzw. Mikroätzungen• Schliffbeurteilung am
Lichtmikroskop• Schliffbeurteilung am REM
Chemische Analyse• Spektroskopie-Methoden• Gravimetrische Verfahren• Chromatographie
Eigenspannungsmessung
Korrosionsprüfung
Analytische Elektronenmikroskopie
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Untersuchungsverfahren
Untersuchungsverfahren Anteil in %Sichtprüfung 100Metallographische Verfahren 100Mechanische Prüfverfahren, davon: 52• Zugversuche 15• Härteprüfungen 25• Kerbschlagbiegeversuche 8Chemische Analyse 43Zerstörungsfreie Prüfverfahren 11Elektronenmikroskopische Verfahren 9andere Prüfverfahren 3
Einsatzhäufigkeit in der Schadensanalytik (1980)
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Untersuchungsverfahren
ZfP in der Schadensanalytik: Rissdetektion
• Röntgendurchstrahlung
• Röntgen-Beugung
• Röntgen-Rückstreuung
• Gamma-Durchstrahlung
• Ultraschall-Schwächung
• Ultraschall-Resonanz
• Magnetpulver-Verfahren
• Elektrische Verfahren
• Eindring-Verfahren
Riss wurde detektiert – Was nun?
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Bruchzähigkeit
Kennwerte für die Bruchzähigkeit u. das Risswachstum
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Untersuchungsverfahren
Kennwerte für die Bruchzähigkeit u. das Risswachstum
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Untersuchungsverfahren
MetallographieMechanische Prüfung• Härteprüfung• statische Festigkeitsprüfung• Festigkeitsprüfung bei
schlagartiger Beanspruchung
• zyklische Festigkeitsprüfung• bruchmechanische Prüfung• mechanisch-thermische
Festigkeitsprüfung• Bauteil-Prüfung
• nicht geätzt bzw. geätzte Schliffe
• Makro- bzw. Mikroätzungen• Schliffbeurteilung am
Lichtmikroskop• Schliffbeurteilung am REM
Chemische Analyse• Spektroskopie-Methoden• Gravimetrische Verfahren• Chromatographie
Eigenspannungsmessung
Korrosionsprüfung
Analytische Elektronenmikroskopie
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Bruchmechanische Prüfung
„Vorstufe“ zur Beurteilung der Bruchzähigkeit:Kerbschlagbiegeversuch
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Bruchmechanische Prüfung
„Vorstufe“ zur Beurteilung der Bruchzähigkeit:Kerbschlagbiegeversuch
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Bruchmechanische Prüfung
„Vorstufe“ zur Beurteilung der Bruchzähigkeit:Kerbschlagbiegeversuch
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Bruchmechanische Prüfung
Aber: Kerbschlagbiegeversuch liefert nur Angaben für eine qualitative Bewertung der Risszähigkeit eines Werkstoffs.
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Quantifizieren der Bruchzähigkeit?
Aber: Kerbschlagbiegeversuch liefert nur Angaben für eine qualitative Bewertung der Risszähigkeit eines Werkstoffs.
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Gefahr eines Risses einschätzen?
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Idealer Riss kontra Materialdefekte
a
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Linear-elastische Bruchmechanik
x
y
xy
arar
ar
2 21
232
2 21
232
2 2 232
cos ( sin sin )
cos ( sin sin )
cos sin cos
Vernachlässigung der Terme höherer Ordnung
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Linear-elastische Bruchmechanik
Vernachlässigung der Terme höherer Ordnung
xI
yI
xyI
Kr
KrK
r
2 21
232
2 21
232
2 2 232
cos ( sin sin )
cos ( sin sin )
cos sin cos
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Linear-elastische Bruchmechanik
Beschreibung der lokalen Beanspruchungssituation an der Rissspitze über den Spannungsintensitätsfaktor K
waYaK II
= Nennspannunga = RisslängeYI(a/w) = Geometriefunktion, die Rissform und -lage und Bauteil berücksichtigt
?kritischKI
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Linear-elastische Bruchmechanik
Beschreibung der lokalen Beanspruchungssituation an der Rissspitze über den Spannungs-intensitätsfaktor K
waYaK II
= Nennspannunga = RisslängeYI(a/w) = Geometriefunktion, die Rissform und -lage und Bauteil berücksichtigt
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Linear-elastische Bruchmechanik
waYaK II
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Linear-elastische Bruchmechanik
• Quasi-statischer Wert:Ermittlung der Risszähigkeit nach ASTM E 399
• Zyklisches Risswachstumsverhalten:Ermittlung der Thresholdwerte u. Rissgeschwindigkeitskurven nach ASTM E 647
Kennwertermittlung:
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Versuchsführung
Linear-elastische Bruchmechanik (ASTM E 399)
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Linear-elastische Bruchmechanik (ASTM E 399)
• Zugbelastung einer CT-Probe quasistatisch bis zum Bruch
• Aufzeichnung eines Kraft-Rissaufweitungs-Diagramms
• Anlegen einer Tangente an den Kraft-Rissausweitungs-Kurvenverlauf
• Weitere Linie mit 5%-Neigung relativ zur Tangente• Schnittpunkt der 95%-Sekante mit der Kraft-
Rissaufweitungs-Kurve ergibt den FQ-Wert, der für die Berechnung des Spannungsintensitätsfaktors erforderlich ist
Compact-Tension (CT) Probe
Compact-Tension (CT) Probe3-Pkt-Biege-Probe
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Versuchsführung
• Starterkerb gemäß ASTM E 399
Linear-elastische Bruchmechanik (ASTM E 399)
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Compact-Tension (CT) Probe
3-Punkt-Biege-Probe Probenentnahme
Starterkerb
Linear-elastische Bruchmechanik (ASTM E 399)
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Versuchsführung
• Proben hinsichtlich Probendicke u. Probenbreite vermessen
• Ermüdungsanriss mit einer zykl. Belastung bei einem Spannungsverhätnis R zwischen -1 und 0,1 erzeugen, dabei sollte die max. Spannungsintensität 80% der Risszähigkeit nicht übersteigen
• Belastung in einem quasi-statischen Versuch bis zum Bruch
• Belastungsrate sollte zwischen 0,55 und 2,75 MPam1/2/s liegen
• Aufzeichnung der Kraft u. der relativen Verschiebung mittels Wegaufnehmer über die Kerbaufweitung
• Mindestens 3 Versuche für die Bestimmung von KIC
Linear-elastische Bruchmechanik (ASTM E 399)
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Versuchsauswertung
Sekante durch den Ursprung mit einer Steigung, die gegenüber dem elastischen Verhalten um 5% reduziert ist
• Typ I-Verlauf: Kraftpunkte der Kurve sind alle kleiner als Schnittpunkt, dann gilt FQ = F5 (gemäß Bild)
• Typ II-Verlauf: Unstetigkeitsstelle, bei der es aufgrund kurzfristigen instabilen Risswachstums zu einer Absenkung der Kraft kommt, Kraftpunkte, FQ ≠ F5sondern FQ gleich dem lokalen Maximum
• Typ III-Verlauf: Kurve hat einen nahezu linear-elastischen Verlauf, auch hier gilt: FQ gleich dem lokalen Maximum
Linear-elastische Bruchmechanik (ASTM E 399)
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Versuchsauswertung
Es ist abschließend die zugehörige Risslänge an der gebrochenen Probe zu ermitteln.Da im Allgemeinen eine gekrümmte Rissfront auftritt, ist die Messung an 3 Punkten in einem Abstand t/4 über der Probendicke vorzunehmen.
Die Differenz der Einzelmessungen darf maximal 10% von der mittleren Risslänge abweichen.
Die Risslänge an der Oberfläche darf maximal 15% von der mittleren Risslänge betragen.
Linear-elastische Bruchmechanik (ASTM E 399)
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Linear-elastische Bruchmechanik
Bruchzähigkeit KIC
36CrNiMo4
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Linear-elastische Bruchmechanik
Achtung: Einheit MPamm1/2 oder MPam1/2
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Linear-elastische Bruchmechanik (ASTM E 647)
Methoden der Risslängenmessung
• Optische Methoden• Elektropotentialmethode• Compliance-Methode
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Ermüdungsrisswachstum
Bruchfläche
Schwingbruchfläche (Bsp.:Nickel)
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Ermüdungsrisswachstum
Bruchfläche
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Ermüdungsrisswachstum
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Linear-elastische Bruchmechanik (ASTM E 647)
Für die Charakterisierung des Ermüdungsrisswachstums haben sich• der Schwellenwert KI,th
• die Rissgeschwindigkeitskurve da/dN = f(K, R) etabliert.
Paris-Gesetz (stabiles Risswachstum):
Achtung:Paris-Gesetz bedingt doppelt-logarithmischer Auftragung!
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Linear-elastische Bruchmechanik (ASTM E 647)
CT-Probe
MT-Probe Exzentrische SEN-Probe
Ermüdungsriss
• Anrisserzeugung durch Anschwingen
• Mindestlänge 0,1t, die Kerbhöhe h oder 1 mm
• Maximale Spannungsintensität zum Anschwingen nicht größer als Anfangswert
• Riss sollte symmetrisch erzeugt werden, Anriss auf der Vorder- und Rückseite der Probe darf nicht mehr als 0,25t voneinander abweichen
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Linear-elastische Bruchmechanik (ASTM E 647)
Versuchsführung
Es werde in der Regel zwei Versuchstypen erforderlich:• Kmax und Kmin konstant, da hier konstante Kraftschwingbreite steigende
Spannungsintensität mit zunehmender Risslänge – ergibt den mittleren und oberen Bereich der Rissfortschrittskurve
• Wahl der Spannungsintensität so, dass der Riss mit mittlerer Geschwindigkeit wächst, mit zunehmender Risslänge Reduzierung der zykl. Spannungsintensität bis das Risswachstum zum Stillstand kommt – ergibt den Schwellenwert KI,th
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Linear-elastische Bruchmechanik (ASTM E 647)
Versuchsführung
Es werde in der Regel zwei Versuchstypen erforderlich:• Kmax und Kmin konstant, da hier konstante Kraftschwingbreite steigende
Spannungsintensität mit zunehmender Risslänge – ergibt den mittleren und oberen Bereich der Rissfortschrittskurve
• Wahl der Spannungsintensität so, dass der Riss mit mittlerer Geschwindigkeit wächst, mit zunehmender Risslänge Reduzierung der zykl. Spannungsintensität bis das Risswachstum zum Stillstand kommt – ergibt den Schwellenwert KI,th
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Linear-elastische Bruchmechanik (ASTM E 647)
Bruchzähigkeit bei zyklischer Beanspruchung u. Risswachstumsparameter
Achtung: nicht vergleichbar mit KIC (stat. Bruchzähigkeit) vergleichbar!
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Linear-elastische Bruchmechanik (ASTM E 647)
Bruchzähigkeit bei zyklischer Beanspruchung u. Risswachstumsparameter
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Auslegungskonzepte zur Vermeidung von Ermüdungsversagen
• Infinite Life DesignDie zulässige Spannungsamplitude im höchstbeanspruchten Bauteil/Bereich wird unterhalb der Schwingfestigkeit festgelegt. Rissinitiierung ist damit praktisch ausgeschlossen.• Safe Life DesignAnhand der Wöhlerkurve wird die Gesamtlebensdauer eines Bauteils vorhergesagt. Nach Erreichen der Lebensdauer wird das Bauteil auf jeden Fall ausgetauscht.• Damage Tolerant DesignRisswachstum kann vorhergesagt werden (z.B. anhand des Paris-Gesetzes). Anhand von regelmäßigen Inspektionen wird das Risswachstum beobachtet und bei Überschreiten einer kritischen Risslänge das Bauteil ausgetauscht.• Fail Safe DesignSicherheitsfaktoren und versagensunkritisches Design muss garantieren, dass auch nicht-detektierte Risse kein Bauteilversagen verursachen.
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Bewertung der Restlebensdauer bei Ermüdungsriss
Bestimmung der Restlebensdauer auf der Basis des Paris-Gesetzes:
Damage Tolerant DesignRisswachstum kann vorhergesagt werden (z.B. anhand des Paris-Gesetzes). Anhand von regelmäßigen Inspektionen wird das Risswachstum beobachtet und bei Überschreiten einer kritischen Risslänge das Bauteil ausgetauscht.Fail Safe DesignSicherheitsfaktoren und versagensunkritisches Design muss garantieren, dass auch nicht-detektierte Risse kein Bauteilversagen verursachen.
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Beispielrechnung
Fallbeispiel: An einer zyklisch belasteter Zuglasche (Breite 2w = 200 mm) wurde ein Innenriss der Länge 2a = 2 mm festgestellt. Die Lasche ist im Betrieb einer zyklischen Belastung von max = 160 MPa und min = 20 MPa ausgesetzt. Zur Beurteilung des Schadensfalls unter LEBM-Bedingungen kann ein Geometriefaktor Y = 1 angenommen werden.Werkstoffkennwerte:
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Beispielrechnung
a) Ist bei der gegebenen Schadensfall mit einem Risswachstum zu rechnen?
a0 = 0,65 mm
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Beispielrechnung
b) Wann würde instabiles Risswachstum einsetzen, wenn von nun an nur noch eine statische Last entsprechend der maximalen Betriebsbeanspruchung vorläge?
Die kritische Risslänge berechnet sind demnach zu
aC = 15 mm
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Beispielrechnung
c) Wie groß ist die Restlebensdauer der Zuglasche?
NC = 48600
Im Fall einer 20% Reduzierung der Betriebsbelastung kann die Restlebensdauer auf NC > 100000 Lastwechsel gesteigert werden.
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Schadensprävention bei rissbehafteten Bauteilen
Risszähigkeit verbessern durch • duktile Materialien
• lokale Erwärmung • Versteifungselemente
• „patchen“
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Schadensprävention bei rissbehafteten Bauteilen
Risszähigkeit verbessern durch • Reduzierung des Spannungsintensitätsfaktors durch
Entlastungsbohrungen
• Leck-vor-Bruch-Konzept
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Bewertung kleiner Defekte/Ungänzen?
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Bewertung kleiner Defekte mittels Murakami-Modell
√area – Konzept nach Y. Murakami
Annahme der kritischen Defektgröße sollte sich an der Auflösungsgrenze des Detektionsverfahrens orientieren
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Bewertung kleiner Defekte mittels Murakami-Modell
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Bewertung kleiner Defekte mittels Murakami-Modell
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Risswachstum unter multiaxialer Belastung
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Risswachstum unter multiaxialer Belastung
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Risswachstum unter multiaxialer Belastung
Mixed-mode-Beanspruchung liegt immer dann vor, wenn ein Bauteil z.B. gleichzeitig einer Normal- und einer Schubbeanspruchung ausgesetzt ist oder der Anfangsriss schräg zur Belastungsrichtung liegt.
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Risswachstum unter multiaxialer Belastung
Risspfadablenkung durch mixed-mode-Beanspruchung
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Risswachstum unter multiaxialer Belastung
In phase - Beanspruchung Out of phase - Beanspruchung
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Risswachstum unter multiaxialer Belastung
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Risswachstum unter multiaxialer Belastung