Schwingfestigkeit (Fach) / 6. Rissausbreitung und Bruchmechanik (Lektion)

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• 1. !!! Welche Stadien der Rissausbreitung gibt es? Beschreiben Sie diese. Stadium I: Gleitbandriss, d.h. Rissverlauf parallel zu Hauptspannung (45° zur Richtung der aufgebrachten Normalspannung) über 1 bis 3 Kristallkörner. Risswachstum ist stark lokalen Einflüssen (Konzentrationsschwankungen, Korngrenzen, Einschlüsse, ungleichmäßig verteilte Ausscheidungen, Eigenspannungen) unterworfen, die von Korn zu Korn und auch innerhalb eines Kornes unterschiedlich sind. Die Rissausbreitung im Stadium I verbraucht den größten Teil der Lebensdauer und ist somit der Teilvorgang der Ermüdung, der den größten Einfluss auf das Ermüdungsverhalten besitzt. Stadium II: Rissausbreitung senkrecht zur maximalen HauptnormalspannungHäufig beginnt nach Erreichen der ersten Korngrenze das Stadium II, in dem der Riss etwa senkrecht zur angelegten Normalspannung weiterläuft.Aus Mikroriss wird Makroriss. Der Rissverlauf ist meistens transkristallin. Hat der Riss das Stadium II erreicht, ist er meist schon so ausgedehnt, dass die Rissfront durch viele Körner verläuft und über alle lokalen Inhomogenitäten mittelt. Die Rissgeschwindigkeit im Stadium II ist daher gut reproduzierbar.
• 2. !!! Beschreiben Sie eine Bruchflächenausbildung bei zyklischer Beanspruchung. Mikrorissbildung z.B. in oberflächennahen Kornbereichen. Dann folgt die Mikrorissausbreitung.- zunächst 45° zur Zug-Druck-Beanspruchungsrichtung. (Stadium I)- Bei zunehmender Lastspielzahl schwenkt meist einer der 45°-Mikrorisse in eine Ebene unter 90° zur angelegten Nennspannung ein und breitet als Makroriss aus.  Glatter Bereich = die Ermüdungsbruchfläche raue faserige Fläche = Restbruch oder Gewaltbruch.  Die Ermüdungsbruchfläche besteht aus Bereichen unterschiedlicher Graufärbung als Ergebnis von Oxidationsvorgängen an der Rissspitze, die durch die plastische Verformung begünstigt werden. --> Die Bruchfläche wird daher umso dunkler, je langsamer der Riss fortschreitet. Ist der Riss zwischendurch zum Stillstand gekommen, so wird die Rissfront durch dunkle Linien, sog. Rastlinien, auf der Bruchfläche abgebildet.  Bei mikroskopischer Betrachtung enthält die Ermüdungsbruchfläche sog. Schwingstreifen, wobei jeweils ein Streifen den Rissfortschritt pro Lastwechsel anzeigt.
• 3. Was sind die Schwingstreifen und wie entstehen sie? Schwingstreifen sind Streifungen senkrecht zur Rissausbreitungsrichtung.  Treten nur bei mittleren Rissausbreitungsgeschwindigkeiten auf. Ein Schwingstreifen ist jeweils ein Rissfortschritt pro Lastwechsel. Bei Kenntniss der Schwingstreifenbreite lässt sich die Rissausbreitungsgeschwindigkeit abschätzen.
• 4. !!! Welche Proben werden für die Bestimmung der Rissausbreitung verwendet. CT - Proben (compact Tension) Da die Bildung und anfängliche Ausbreitung von Ermüdungsrissen zufällige lokale Ereignisse sind, werden quantitative Rissausbreitungsuntersuchungen durchweg mit angekerbten Proben durchgeführt.
• 5. !!! Beschreiben Sie die Methoden zur Risslängenmessung Risslänge als Funktion der Zeit/Lastspielzahl sehr wichtig für die Ermittlung der Rissausbreitungsgeschwindigkeit.Bei Risslängenmessung unterschiedliche Methoden: (je nach Werkstoffe, Form, ...) Optische Messverfahren: Beobachtung des Rissfortschritts über ein Mikroskop und einer Messskala.  Elektopotenzielmethode: nutzt den Anstieg des elektrischen Widerstandes bei der durch Risswachstum abnehmender Querschnittsfläche der Probe. Dazu wird die Probe einem konstanten Stromfluss ausgesetzt und der Spannungsabfall (Potential) über der Rissspitze gemessen. Compiliance-Methode: Die Messung der Compiliance bietet bei bekanntern elastischen Konstanten die Möglichkeit einer gut protokollierbaren indirekten Risslängenmessung mit geringem messtechnischem Aufwand. 
• 6. Was bedeutet und wie berechnet sich der Spannungsintensitätsfaktor Der Spannungsintensitätsfaktor K und dessen Schwingbreite ist ein Maß für die Intensität des Spannungsfeldes in der Nähe der Makrorissspitze und bestimmt die Rissausbreitungsgeschwindigkeit. K=σy√(πa)
• 7. Wie sieht eine typische Rissausbreitungskurve aus? Beschreiben Sie ihre Stadien. Skript S.6-30 A: Mikromechanik  B: Kontinuumsverhalten  C: statische Bruchmoden  Zusammenfassung: Die zyklische Beanspruchung einer mit einem Anriss versehenen Probe bei konstanter Kraftamplitude führt zu einem Wachstum des Risses der Länge a, der mit Hilfe der Risswachstumsgeschwindigkeit (Rissverlängerung pro Zyklus, da/dN) beschrieben wird. Die Bruchmechanik liefert als relevante Beanspruchungsgröße den Spannungsintensitätsfaktor K, der mit der Wurzel der Risslänge zunimmt und somit im Versuch ständig steigt. Bei zyklischer Beanspruchung ist die Rissausbreitungsgeschwindigkeit unter bestimmten Bedingungen in eindeutiger Weise mit der Schwingbreite ΔK verbunden. Aus diesem Zusammenhang, der werkstoffabhängig ist, resultiert die gebräuchliche Darstellung experimenteller Rissausbreitungsdaten, die da/dN-ΔK-Auftragung (beide Größenwerden logarithmisch dargestellt).
• 8. Beschreiben Sie die Einflussgrößen auf die Rissausbreitungskurve. - Beanspruchungsart (Stoß, Zug, Biegung) - Mittelspannung - Mikrostruktur - Makrostruktur

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