Vorlesung Schadensanalyse Bewertung von Rissen in Bauteilen

Prof. Dr. Martina ZimmermannSchadensanalyse WW

Vorlesung Schadensanalyse

Bewertung von Rissen in Bauteilen

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

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)

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?

Bruchzähigkeit

Kennwerte für die Bruchzähigkeit u. das Risswachstum

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

Bruchmechanische Prüfung

„Vorstufe“ zur Beurteilung der Bruchzähigkeit:Kerbschlagbiegeversuch

Aber: Kerbschlagbiegeversuch liefert nur Angaben für eine qualitative Bewertung der Risszähigkeit eines Werkstoffs.

Quantifizieren der Bruchzähigkeit?

Aber: Kerbschlagbiegeversuch liefert nur Angaben für eine qualitative Bewertung der Risszähigkeit eines Werkstoffs.

Gefahr eines Risses einschätzen?

Idealer Riss kontra Materialdefekte

Linear-elastische Bruchmechanik

2 2 232

cos ( sin sin )

cos sin cos

Vernachlässigung der Terme höherer Ordnung

2 2 232

cos ( sin sin )

cos sin cos

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

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

waYaK II

• Quasi-statischer Wert:Ermittlung der Risszähigkeit nach ASTM E 399

• Zyklisches Risswachstumsverhalten:Ermittlung der Thresholdwerte u. Rissgeschwindigkeitskurven nach ASTM E 647

Kennwertermittlung:

Versuchsführung

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

Versuchsführung

• Starterkerb gemäß ASTM E 399

Compact-Tension (CT) Probe

3-Punkt-Biege-Probe Probenentnahme

Starterkerb

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

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

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.

Bruchzähigkeit KIC

36CrNiMo4

Achtung: Einheit MPamm1/2 oder MPam1/2

Methoden der Risslängenmessung

• Optische Methoden• Elektropotentialmethode• Compliance-Methode

Ermüdungsrisswachstum

Bruchfläche

Schwingbruchfläche (Bsp.:Nickel)

Bruchfläche

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!

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

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

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

Bruchzähigkeit bei zyklischer Beanspruchung u. Risswachstumsparameter

Achtung: nicht vergleichbar mit KIC (stat. Bruchzähigkeit) vergleichbar!

Bruchzähigkeit bei zyklischer Beanspruchung u. Risswachstumsparameter

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.

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.

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:

Beispielrechnung

a) Ist bei der gegebenen Schadensfall mit einem Risswachstum zu rechnen?

a0 = 0,65 mm

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

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.

Schadensprävention bei rissbehafteten Bauteilen

Risszähigkeit verbessern durch • duktile Materialien

• lokale Erwärmung • Versteifungselemente

• „patchen“

Schadensprävention bei rissbehafteten Bauteilen

Risszähigkeit verbessern durch • Reduzierung des Spannungsintensitätsfaktors durch

Entlastungsbohrungen

• Leck-vor-Bruch-Konzept

Bewertung kleiner Defekte/Ungänzen?

Bewertung kleiner Defekte mittels Murakami-Modell

√area – Konzept nach Y. Murakami

Annahme der kritischen Defektgröße sollte sich an der Auflösungsgrenze des Detektionsverfahrens orientieren

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.

Risspfadablenkung durch mixed-mode-Beanspruchung

In phase - Beanspruchung Out of phase - Beanspruchung

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