ASTM C1421 Standardtestmethoden zur Bestimmung der Bruchzähigkeit von Hochleistungskeramiken bei Umgebungstemperatur

Die von der American Society for Testing and Materials (ASTM) entwickelte Norm ASTM C1421 „Standard Test Methods for Determining the Fracture Toughness of Advanced Ceramics at Ambient Temperature “ beschreibt Prüfverfahren zur Bestimmung der Bruchzähigkeit von Hochleistungskeramiken bei Umgebungstemperatur. Diese Verfahren spezifizieren die Prüfung von vorgekerbten Balkenproben, Oberflächenrissen bei Biegung und Streifenkerben-Balkenproben. Die Bruchzähigkeitswerte werden anhand von Balkenproben mit scharfen Rissen ermittelt. Der Riss kann ein gerader Riss infolge von Brückenbiegung, ein halbelliptischer Oberflächenriss infolge einer Knoop-Eindringung oder ein Riss sein, der sich in einer Streifenkerbe bildet und ausbreitet, wie in der Norm dargestellt.

Die Bruchzähigkeit ist ein Maß für den Widerstand gegen Rissausbreitung in einem spröden Material. Diese Prüfmethoden können zur Materialentwicklung, zum Materialvergleich, zur Qualitätsbewertung und zur Charakterisierung eingesetzt werden.

Während die Werte der Brückenbiegebruchzähigkeit und der Chevron-Kerbbruchzähigkeit Aufschluss über die Bruchfestigkeit von Hochleistungskeramiken mit großen, scharfen Rissen geben, liefern die Werte der Knoop-Eindruckbruchzähigkeit diese Informationen für kleine Risse ähnlicher Größe wie natürliche Bruchquellen. Für die Knoop-Eindruckmethode können Risse unterschiedlicher Größe verwendet werden. Da die Bruchzähigkeitswerte je nach Rissgröße variieren, ist zu erwarten, dass sich die Werte für vorgerissene Balkenprüfkörper, Oberflächenrisse beim Biegen und streifengekerbte Balkenprüfkörper unterscheiden. Die Vor- und Nachteile sowie die Anwendbarkeit der einzelnen Methoden sind in der Tabelle in der Norm aufgeführt.

Kurz gesagt definiert ASTM C1421 Verfahren zur Bewertung der Bruchzähigkeit monolithischer Hochleistungskeramiken bei Raumtemperatur. Keramiken finden aufgrund ihrer hohen Härte, Verschleißfestigkeit und thermischen Stabilität breite Anwendung in der Strukturtechnik, der Luft- und Raumfahrt, der Biomedizin und der Elektronik. Aufgrund ihrer spröden Beschaffenheit ist die Bruchzähigkeit jedoch eine der wichtigsten zu bewertenden mechanischen Eigenschaften. ASTM C1421 bietet vier Standardprüfverfahren zur Bestimmung dieser Eigenschaft:

• Einkantiger vorgerissener Balken (SEPB): Bei dieser Methode wird eine Balkenprobe mit scharfem Vorriss verwendet. Der Bruch wird unter Biegebelastung kontrolliert eingeleitet. Diese Methode eignet sich für Materialien mit gleichmäßigem Risswachstumsverhalten.
• Kerbbalken (CNB): Bei dieser Methode wird ein streifenförmiger Kerbbalken verwendet, der die Rissausbreitung auf natürliche Weise lenkt. Sie ermöglicht die Bestimmung der Bruchzähigkeit anhand eines stabilen Risswachstumsprozesses. Aufgrund ihrer Wiederholbarkeit ist sie besonders nützlich für die Qualitätskontrolle.
• Oberflächenrissbildung bei Biegung (SCF): Bei dieser Methode werden Proben mit einem kleinen Oberflächendefekt verwendet, der durch einen Vickers-Eindringkörper erzeugt wird. Der Defekt dient bei Biegeversuchen als Rissinitiator. Diese Methode eignet sich zur Untersuchung der Auswirkungen kleiner Risse auf die Festigkeit.
• Eindruckfestigkeit beim Biegen (ISB): Diese Methode bestimmt indirekt die Bruchzähigkeit, indem sie eine bekannte Last auf einen vorgedrückten Balken ausübt. Sie wird typischerweise verwendet, wenn eine direkte Vorrissbildung nicht praktikabel ist.

Diese Methoden sind für die Verwendung mit monolithischer Keramik konzipiert und nicht auf Verbundwerkstoffe oder poröse Keramik anwendbar.

Die Hauptgründe für die Bedeutung des ASTM C1421-Standards sind:

• Qualitätssicherung: Hilft Herstellern bei der Beurteilung, ob Keramikmaterialien die Design- und Sicherheitsspezifikationen erfüllen.
• Materialauswahl: Hilft Ingenieuren, geeignete Keramiken basierend auf der Leistung in bruchkritischen Anwendungen auszuwählen.
• Konsistenz und Reproduzierbarkeit: Bietet standardisierte Methoden, um die Vergleichbarkeit zwischen Laboren und Produktionschargen sicherzustellen.
• Forschungs- und Entwicklungsanwendungen: Unterstützt die Entwicklung härterer Keramikmaterialien, indem es einen Maßstab für die Bruchzähigkeit bietet.

Der ASTM C1421-Standard wird in den folgenden Bereichen häufig verwendet:

• Luftfahrtkomponenten
• Automotorteile
• Biomedizinische Implantate
• Verteidigungs- und Panzerungssysteme
• Elektronische und optische Komponenten

ASTM C1421 ist daher ein umfassender und technisch anspruchsvoller Standard, der eine Schlüsselrolle bei der Bewertung von Hochleistungskeramiken spielt. Mehrere Testmethoden bieten Flexibilität bei der Anpassung an unterschiedliche Materialformen und Anwendungsanforderungen und gewährleisten so Sicherheit und Leistung in kritischen Umgebungen.

Unser Unternehmen unterstützt seit Jahren Unternehmen aller Branchen mit einem breiten Spektrum an Test-, Mess-, Analyse- und Evaluierungsaktivitäten. Es verfügt über ein starkes Team von Mitarbeitern, die die globalen Entwicklungen in Wissenschaft und Technologie aufmerksam verfolgen und sich ständig weiterentwickeln. In diesem Zusammenhang bieten wir auch Prüfdienstleistungen gemäß ASTM C1421 Standardtestmethoden zur Bestimmung der Bruchzähigkeit von Hochleistungskeramik bei Umgebungstemperatur an.