ASTM E399: Bewertung der Zähigkeit von Metallen und Legierungen

Was ist Bruchzähigkeit?

Die Bruchzähigkeit bezieht sich auf die Fähigkeit eines Materials, der Ausdehnung bereits vorhandener Risse zu widerstehen. Im Gegensatz zur reinen Zugfestigkeit, die die zur Verformung eines Werkstoffs erforderliche Kraft bestimmt, betrifft die Bruchzähigkeit die Reaktion des Werkstoffs, wenn der Werkstoff bereits einen Fehler oder Riss aufweist.

In der Praxis ermöglicht eine hohe Bruchzähigkeit, dass Metalle und Legierungen Betriebsbelastungen widerstehen können, ohne dass es zu einem katastrophalen Versagen kommt. Diese Eigenschaft ist besonders wichtig bei strukturellen Anwendungen, bei denen ein Versagen erhebliche Folgen hätte, wie z. B. bei Flugzeugen, Brücken oder Druckbehältern. Eine niedrige Bruchzähigkeit hingegen macht Werkstoffe anfällig für Sprödbrüche, die plötzlich und ohne oder mit nur geringer vorhergehender Verformung auftreten können.

Was ist ASTM E399?

Zweck und Zielsetzung

DieASTM E399 dient der Bestimmung der Bruchzähigkeit (K_IC) von Metallen unter ebener Dehnung. Die ebenen Dehnungsbedingungen werden durch die Verwendung dicker Proben erreicht, so dass an der Rissspitze der spannungsgesteuerte Spannungszustand und nicht der biegegesteuerte Zustand vorliegt. Die Norm liefert reproduzierbare und vergleichbare Ergebnisse, die für Konstruktion, Werkstoffauswahl und Qualitätskontrolle erforderlich sind.

Testverfahren

Die Prüfung nach ASTM E399 erfordert einige kritische Schritte, um Reproduzierbarkeit und Genauigkeit zu erreichen:

1. Probenvorbereitung:

Die Proben werden auf die gewünschten Abmessungen bearbeitet und ein Ermüdungsvorriss wird erzeugt. Dies gewährleistet eine reproduzierbare Rissauslösung und eine gleichmäßige Spannungsverteilung.

2. Belastung:

Die Probe wird in einer mechanischen Prüfvorrichtung belastet und einer kontrollierten, ansteigenden Last ausgesetzt. Die Prüfung wird in der Regel unter kontrollierten Verschiebungsbedingungen durchgeführt, so dass die Rissentstehung genau erkannt werden kann.

3. Messung und Berechnung:

Wenn der Riss beginnt, sich auszubreiten, wird die kritische Last aufgezeichnet. Die Bruchzähigkeit bei ebener Beanspruchung (K_IC) wird aus der aufgebrachten Last und der Probengeometrie mit Hilfe von Standardgleichungen berechnet.

Anwendungen in Metallen und Legierungen

Die ASTM E399 findet weitreichende Anwendung in Metallbereichen, in denen Metallkomponenten unter Belastung einer Rissausbreitung widerstehen müssen. Dazu gehören:

- Luft- und Raumfahrt: Durchführung von Prüfungen der Bruchzähigkeit von Turbinenschaufeln, Rumpf- und Fahrwerksmaterial.

- Automobilbau: Durchführung von Prüfungen der Zähigkeit von Motorblöcken, Fahrwerks- und Aufhängungskomponenten.

- Bauwesen und Infrastruktur: Vermeidung des Verlusts der Integrität von Stahlträgern, Rohren und Strukturlegierungen unter bestimmten Bedingungen.

- Energie- und Nuklearindustrie: Durchführung von Tests an Reaktor-, Druckbehälter- und Rohrleitungsmetallen zur Vermeidung von Ausfällen.

Die ASTM E399 liefert genaue Daten zur Bruchzähigkeit und ermöglicht es den Ingenieuren, die richtigen Legierungen auszuwählen, optimal zu konstruieren und die Sicherheit zu gewährleisten.

Faktoren, die die Zähigkeit beeinflussen

Es gibt mehrere Faktoren, die die gemessene Bruchzähigkeit von Metallen und Legierungen beeinflussen:

- Mikrogefüge: Mikrostrukturelle Dimensionen wie Korngröße, Phasenverteilung und Einschlüsse können die Zähigkeit enorm erhöhen oder senken. Kleine, gleichachsige Körner erhöhen den Widerstand gegen Risswachstum.

- Temperatur: Alle Metalle werden bei niedrigen Temperaturen spröder, wodurch die K_IC-Werte sinken. Bei höheren Temperaturen werden die Werkstoffe ebenfalls weicher, wobei die Rissbeständigkeit variiert.

- Belastungsrate: Schneller aufgebrachte Lasten können die scheinbare Zähigkeit verringern, da die Materialien weniger Zeit haben, sich plastisch zu verformen.

- Probengeometrie: Dicke und Länge der Risse beeinflussen die ebenen Dehnungsbedingungen; Änderungen können die gemessenen K_IC-Werte verändern.

Es ist wichtig, diese Variablen für die Analyse der Prüfergebnisse und die Verwendung der Daten in der realen Konstruktion zu kennen.

Häufig gestellte Fragen

Für welchen Zweck wird ASTM E399 verwendet?

Die ASTM E399 misst die Bruchzähigkeit von metallischen Werkstoffen unter ebener Beanspruchung, d.h. ihre Fähigkeit, der Ausdehnung von Rissen zu widerstehen.

Warum ist die Bruchzähigkeit bei Metallen und Legierungen wichtig?

Sie bestimmt die Belastbarkeit des Werkstoffs ohne plötzliches Versagen und gewährleistet so die Sicherheit und Zuverlässigkeit von Anwendungen, bei denen viel auf dem Spiel steht.

Wie wird die Prüfung nach ASTM E399 durchgeführt?

Die Proben werden vor dem Bruch kontrolliert belastet, und der K_IC-Wert wird anhand der kritischen Last und der Probengeometrie bestimmt.

In welchen Branchen wird die ASTM E399 routinemäßig angewendet?

Sie wird in der Luft- und Raumfahrt, in der Automobilindustrie, im Bauwesen, in der Energiewirtschaft und in der Nuklearindustrie überall dort eingesetzt, wo die strukturelle Integrität von höchster Priorität ist.

Welche Variablen können die Prüfergebnisse beeinflussen?

Die Mikrostruktur, die Temperatur, die Belastungsgeschwindigkeit und die Geometrie der Probe wirken sich auf die Bruchzähigkeitsprüfung aus.