Bruchzähigkeit: Verbesserung der Widerstandsfähigkeit von Materialien

Verständnis der Bruchzähigkeit

DieBruchzähigkeit ist eine wichtige materialwissenschaftliche Eigenschaft, die die Fähigkeit eines Materials beschreibt, dem Risswachstum zu widerstehen. Sie ist erforderlich, um das Versagen von Strukturen unter Belastung vorherzusagen und katastrophales Versagen in technischen Strukturen zu verhindern.

Kritische Faktoren, die die Bruchzähigkeit beeinflussen

- Duktilität: Werkstoffe, die sich plastisch verformen können (wie Metalle), weisen in der Regel eine höhere Bruchzähigkeit auf.

- Mikrostruktur: Korngröße, Phasenzusammensetzung und Defekte können sich alle auf die Bruchzähigkeit auswirken. Materialien mit feinem Korngefüge sind tendenziell zäher.

- Temperatur: Die Bruchzähigkeit ist eine Temperaturfunktion. Einige Werkstoffe werden bei niedrigen Temperaturen zäher (Metalle z. B. brechen bei sehr niedrigen (kryogenen) Temperaturen spröde).

- Verarbeitung und Verstärkung: Herstellungsverfahren (z. B. Gießen, Schmieden, Sintern) und Verstärkung (z. B. Fasern, Stabilisatoren) können die Bruchzähigkeit verbessern.

Bruchzähigkeit und Materialvariation

Die Bruchzähigkeit variiert stark zwischen verschiedenen Materialien aufgrund von Unterschieden in der Zusammensetzung, der Mikrostruktur und der Verarbeitung. Auf diese Weise kann die Bruchzähigkeit zwischen verschiedenen Materialien variieren:

1. Metalle

Metalle haben im Vergleich zu Keramiken und Polymeren eine hohe Bruchzähigkeit. Die Fähigkeit von Metallen, sich plastisch zu verformen (Duktilität), ist ein Faktor, der zu ihrer Zähigkeit beiträgt. Einige Beispiele:

-Stahl: Kohlenstoffstähle können eine Bruchzähigkeit von 50-150 MPa-m½ aufweisen, während widerstandsfähigere Legierungen wie hochfeste niedrig legierte Stähle eine Bruchzähigkeit von mehr als 200 MPa-m½ erreichen können.

Aluminium-Legierungen: Haben im Vergleich zu Stählen in der Regel eine geringere Bruchzähigkeit (30-60 MPa-m½), aber das geringe Gewicht und die Korrosionsbeständigkeit von Aluminium machen es für bestimmte Anwendungen gut geeignet.

2. Polymere

Polymere sind weniger bruchfest als Metalle, können aber für bestimmte Anwendungen entwickelt werden.

- Thermoplaste: Diese weisen aufgrund ihrer Fähigkeit, sich unter Last zu verformen, eine höhere Bruchzähigkeit auf. Polycarbonat kann zum Beispiel Werte von 30-70 MPa-m½ aufweisen.

- Duroplaste: Neigen dazu, spröder zu sein und eine geringere Bruchzähigkeit aufzuweisen. Epoxidharze zum Beispiel können Werte von nur 20 MPa-m½ aufweisen, sofern sie nicht verstärkt sind.

3. Keramische Werkstoffe

Keramiken sind im Allgemeinen spröde, d. h. sie weisen eine geringe Bruchzähigkeit auf, obwohl die Eigenschaften je nach Zusammensetzung und Verarbeitung stark variieren können.

- Aluminiumoxid: Aluminiumoxid wird häufig als technische Keramik verwendet und hat eine Bruchzähigkeit von 3-5 MPa-m½.

- Zirkoniumdioxid: Auch als Keramik mit hoher Bruchzähigkeit bezeichnet, kann Zirkoniumdioxid eine Bruchzähigkeit zwischen 5 und 15 MPa-m½ aufweisen, insbesondere wenn es mit Yttriumoxid stabilisiert ist.

- Siliziumnitrid: Siliziumnitrid ist eine abriebfeste Keramik, die in der Industrie und in der Luft- und Raumfahrt weit verbreitet ist. Die Bruchzähigkeit von Siliziumnitrid liegt bei etwa 5-7 MPa-m½.

4. Verbundwerkstoffe

Verbundwerkstoffe, d. h. Keramik-Matrix-Verbundwerkstoffe oder faserverstärkte Polymere, können je nach Matrix- und Verstärkungsmaterial extrem große Wertebereiche für die Bruchzähigkeit aufweisen.

- Faserverstärkte Verbundwerkstoffe: Die Bruchzähigkeit von Kohlenstofffaserverbundwerkstoffen kann beispielsweise je nach Ausrichtung und Fasertyp zwischen 20 und 100 MPa-m½ liegen.

- Keramik-Matrix-Verbundwerkstoffe: Diese besitzen die Hochtemperaturfestigkeit der Keramik zusammen mit der erhöhten Zähigkeit der Verstärkungsfasern und bieten eine Bruchzähigkeit im Bereich von 10 bis 30 MPa-m½.

5. Glas

Glas ist in der Regel spröde und hat im Vergleich zu Metallen und Keramiken eine sehr geringe Bruchzähigkeit. Die Bruchzähigkeit der meisten Glaswerkstoffe liegt bei etwa 0,5 bis 1 MPa-m½, aber bestimmte Gläser (z. B. Verbundglas oder vorgespanntes Glas) weisen etwas höhere Werte auf.

6. Beton

Beton ist ein Verbundwerkstoff mit relativ geringer Bruchzähigkeit, die jedoch nicht niedriger ist als die von Metallen oder Polymeren. Die Bruchzähigkeit von Beton liegt in der Regel im Bereich von 0,5 bis 1,5 MPa-m½, kann jedoch durch die Zugabe von Fasern oder anderen Zusatzstoffen erhöht werden.

Prüfmethoden für die Bruchzähigkeit

Die Bruchzähigkeit von Werkstoffen muss angemessen bewertet werden. Es werden mehrere standardisierte Prüfverfahren angewandt:

Charpy-Schlagversuch

Ein Pendel schlägt auf eine gekerbte Probe, wobei die Energie während des Bruchs absorbiert wird. Er ermöglicht eine schnelle Messung der Zähigkeit, ist aber für eine detaillierte Analyse weniger genau.

Kompaktzugversuch (CT)

Bei dieser Prüfung wird ein gekerbter Probekörper auf Zug beansprucht, so dass der Bruchzähigkeitsparameter wie KICK_{IC} genau gemessen werden kann.

Einzelkanten-Kerbbiegeversuch (SENB)

Eine einseitig gekerbte Probe wird gebogen, bis sie bricht, und liefert Daten über den Widerstand des Materials gegen Rissfortschritt.

Dreipunkt-Biegeversuch

Ähnlich wie der SENB-Test, jedoch an drei Punkten abgestützt, dient dieser Test zur Bestimmung der Bruchzähigkeit unter Biegebelastung.

Instrumentierte Eindringprüfung

Mit Hilfe komplizierter Eindringtechniken kann die Bruchzähigkeit anhand der Reaktion des Werkstoffs unter kontrollierter Verformung geschätzt werden.

Häufig gestellte Fragen

Was ist Bruchzähigkeit?

Die Bruchzähigkeit ist ein Maß für die Fähigkeit eines Werkstoffs, dem Risswachstum zu widerstehen und die strukturelle Integrität unter Belastung zu erhalten.

Warum sollte man die Bruchzähigkeit erhöhen?

Die Erhöhung der Bruchzähigkeit verhindert unerwartetes Materialversagen und gewährleistet Sicherheit und Zuverlässigkeit in verschiedenen Anwendungen.

Welche Materialien weisen häufig eine hohe Bruchzähigkeit auf?

Stahl- und Titanlegierungen sowie einige Verbundwerkstoffe weisen eine hohe Bruchzähigkeit auf.

Wie beeinflusst die Temperatur die Bruchzähigkeit?

Temperaturänderungen können die Zähigkeit eines Werkstoffs verändern, wobei sie bei niedrigeren Temperaturen in der Regel abnimmt und bei höheren Temperaturen zunimmt.

Wie unterscheidet sich die Bruchzähigkeit von der Härte?

Die Bruchzähigkeit bewertet den Widerstand gegen Risswachstum, während die Härte den Widerstand gegen Oberflächenverformung und Eindrücken bewertet.