Der von der American Society for Testing and Materials (ASTM) entwickelte Standard ASTM E399 beschreibt ein Prüfverfahren zur Bestimmung der Bruchzähigkeit metallischer Werkstoffe unter vorwiegend linear-elastischen, ebenen Spannungsbedingungen unter Verwendung von ermüdungsvorgerissenen Proben mit einer Dicke von 1,6 mm oder mehr.
Bei diesem Verfahren werden Proben Rissverschiebungskräften ausgesetzt, die langsam oder in speziellen (selektiven) Fällen rasch ansteigen. Einzelheiten zum Prüfaufbau, zur Probenkonfiguration und zum Versuchsablauf sind in dieser Norm beschrieben. Zwei Verfahren zur Berechnung der Bruchzähigkeitswerte anhand experimenteller Daten werden erläutert:
Für Werkstoffe mit einer Dicke von weniger als 1,6 mm und ausreichender Sprödigkeit können Zugversuche zur Bestimmung der Bruchzähigkeit durchgeführt werden, wobei andere Probenarten verwendet werden können. Für so dünne Werkstoffe existiert kein Standardprüfverfahren.
ASTM E399 ist ein weit verbreiteter Standard der Bruchmechanik zur Bestimmung der linear-elastischen Zugbruchzähigkeit metallischer Werkstoffe. Die grundlegende, mit diesem Test gemessene Eigenschaft ist KIc, die den Widerstand des Metalls gegen instabiles Risswachstum bei Vorhandensein eines scharfen Risses unter starker Zugspannung beschreibt.
Die Bruchzähigkeit ist besonders wichtig, weil ein Bauteil auch dann brechen kann, wenn seine nominelle Spannung unterhalb der herkömmlichen Zug- oder Streckgrenze des Materials liegt, sofern ein ausreichend großer Riss oder Defekt vorhanden ist.
Die Norm ASTM E399 legt die Anforderungen für die Messung der Bruchzähigkeit unter überwiegend linear-elastischen, ebenen Spannungsbedingungen fest. Bei diesem Verfahren wird eine Probe mit einem vor der Ermüdung vorhandenen Riss verwendet und eine zunehmende Rissverschiebungskraft aufgebracht, bis es zum Bruch kommt.
Diese Norm ist primär für metallische Werkstoffe konzipiert, bei denen der plastische Bereich der Rissspitze im Vergleich zu den relevanten Probenabmessungen ausreichend klein ist. Dies ermöglicht die Charakterisierung des Bruchverhaltens mithilfe der linear-elastischen Bruchmechanik.
Die Norm ASTM E399 behandelt KIc und bietet außerdem ein optionales Verfahren zur Bestimmung von KIsi unter festgelegten Bedingungen.
Die Bruchzähigkeit ist ein Maß für die Fähigkeit eines Materials, der Rissausbreitung zu widerstehen. Sie unterscheidet sich von der Zugfestigkeit. Während die Zugfestigkeit beschreibt, wie viel Spannung ein Material aushalten kann, bevor es bricht, berücksichtigt die Bruchzähigkeit die kombinierte Wirkung folgender Faktoren:
Ein Material mit hoher Bruchzähigkeit kann im Vergleich zu einem Material mit niedriger Bruchzähigkeit relativ große Risse ohne katastrophalen Bruch aushalten.
Das Symbol KIc steht für die ebene Zugbruchzähigkeit eines Werkstoffs. Dieser Wert charakterisiert den Widerstand des Werkstoffs gegen Bruch in neutraler Umgebung bei Einwirkung eines scharfen Risses und unter Bedingungen, die sich einem linear-elastischen, ebenen Zugverhalten annähern. Diese Norm legt fest, dass für die beabsichtigte Interpretation von KIc die plastische Zone an der Rissspitze im Verhältnis zur Rissgröße, zur Probenstärke und zum verbleibenden Bindegewebe klein bleiben muss.
Wenn die Spannungskonzentration die kritische Bruchzähigkeit des Materials unter den vorherrschenden ebenen Spannungszuständen erreicht, kann es zu instabilem Risswachstum kommen.
Das ASTM-Standardverfahren E399 folgt im Allgemeinen diesen grundlegenden Schritten:
Die Norm ASTM E399 legt Anforderungen für verschiedene Probenkonfigurationen fest. Die neueste Fassung enthält insbesondere Folgendes:
Die gewählte Probenkonfiguration hängt vom Material, dem verfügbaren Materialvolumen, der Bauteilgeometrie und den Laboranforderungen ab.
Einer der wichtigsten Aspekte der Norm ASTM E399 ist die Erzeugung eines ausreichend scharfen Risses vor dem endgültigen Bruchtest. Eine maschinell eingebrachte Kerbe bildet die Schärfe und Spannungskonzentration eines natürlich entstehenden Risses nicht zwangsläufig nach. Daher wird die Probe einer kontrollierten zyklischen Belastung unterzogen, um die Kerbe zu erweitern und einen Vorermüdungsriss zu erzeugen. Dies schafft realistischere Rissspitzenbedingungen für bruchmechanische Prüfungen.
Im ASTM-E399-Standard sind mehrere Messungen von entscheidender Bedeutung:
Die Norm ASTM E399 ist wichtig, da die Bruchzähigkeit eine entscheidende Kenngröße für Bauteile ist, die Risse und Defekte aufweisen oder potenziell aufweisen können. Diese Norm bietet eine kontrollierte und reproduzierbare Methode zur Bestimmung dieser Eigenschaft. Anwendungsgebiete umfassen:
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