Was bedeuten die vielen Begriffe?

Wie in jeder spezifischen Branche gibt es auch bei der Bruchmechanik viele Begriffe, die man dem Nicht-Fachmann erläutern sollte, um eine gemeinsam Sprache zu finden. Die folgende Liste ist eine Sammlung von Begriffen, nach inhaltlichem Zusammenhang geordnet:

Begriff Erklärung
Sprödbruch Makroskopisch verformungsarmer Bruch
Duktiler Bruch Makroskopisch verformungsreicher Bruch
Spaltbruch Mikroskopischer Bruchmechanismus, der bei Metallen mit Übergangstemperaturverhalten in der Tieflage auftritt und nach Auslösung ohne weitere Energieaufnahme zum Bruch führt. In Stahl können Rissgeschwindigkeiten von 1800 m/s auftreten.
Gleitbruch Mikroskopischer Bruchmechanismus der bei Metallen auftritt nach vorheriger plastischer Verformung. Unter äußerer Last bilden sich Poren, die heranwachsen und sich zum Riss vereinigen. Wegen der wabenförmigen Bruchfläche, die im Raster Elektronen Mikroskop beobachte wird auch als Wabenbruch bezeichnet.
Ermüdungsbruch Unter Ermüdung versteht man das unterkritische lokale Werkstoffversagen infolge einer über enen längeren ZEitraum auftretenden schwingenden mechanischen oder thermomechanischen Belastung.  Nach der Rissbildung kann der Riss unterkritisch bis zum Erreichen einer kritischen Größe heranwachsen und dann in einen Gleit- oder Spaltbruch umschlagen.
Festigkeit Die Festigkeit von Metallen wird im allgemeinen durch den Übergang vom elastischen in das plastische Verhalten und dem Erreichen eines Lastmaximums im einachsigen Zugversuch gekennzeichnet. Als Bauteilfestigkeit ist sie von der Geometrie des Bauteils und der Mehrachsigkeit der Einwirkung abhängig.  Die Festigkeit dient in vielen Bereichen als Kennwert für den Werkstoffwiderstand gegenüber Einwirkungen aus Lasten. Als Bemessungswerte stehen in technischen Lieferbedingungen (z.B. EN10025 beim Stahlbau) garantierte Festigkeitswerte zur Verfügung.
Bauteilfestigkeit  Im Gegensatz zur Werkstofffestigkeit ist die Bauteilfestigkeit aufgrund der Bauteilgeometrie nicht nur vom Werkstoff sondern eben auch von der Geometrie abhängig. Für bruchmechanische Konzeptes spricht man dann oft von dem Zeitpunkt, wo das Bauteil vollständig oder teilweise plastifiziert ist.
Dauerfestigkeit  Bauteile, die zyklischen Belastungen ausgesetzt sind, können in Abhängigkeit von der Lastamplitude, der Mittelspannung, der Ober- und Unterspannung und der Bauteilgeometrie (es gibt noch eine Reihe weiterer Einflüsse, die hier ausgespart werden) Risse entwickeln die zum Versagen führen. In diesem Zusammenhang spricht man von Dauerfestigkeit, wenn für gegebenen Bauteil-, Werkstoff-Belastungskombinationen während eines langen, möglichst unendlichen Zeitraums kein Riss auftritt.
Warmfestigkeit  Metalle haben aufgrund der thermischen Aktivierung von Fließvorgängen bei Temperaturen oberhalb von Raumtemperatur eine abnehmende Festigkeit. Details finden sich in Werkstoffnormen und beim Hersteller der Metalle.
Zähigkeit Zähigkeit ist die Fähigkeit von Metallen durch lokale Fließvorgänge an einer Rissspitze die durch den Riss verursachte lokale Spannungserhöhung durch Fließen abzubauen. Sie unterscheidet sich von dem allgemeineren Begriffe der Duktilität. Für die Bruchmechanik werden spezielle Zähigkeitskennwerte ermittelt die überhaupt erst eine Berechnung der Auswirklung von Rissen ermöglichen.
Duktilität Bezeichnet ganz allgemein die Verformungsfähigkeit von Metallen. In fehlerfreien Bauteilen liefert die Duktilität des Metalls die Grundlage für eine ausreichende Tragsicherheit im Extremlastfall. Voraussetzung hierfür ist bei Metallen mit Übergangstemperaturverhalten das sich der Werkstoff in der Hochlage befindet.

Übergangstemperatur-

verhalten

 Metalle mit kubisch raumzentrieter Gittersturktur haben unter Belastung in Abhängigkeit von der Temperatur ein unterschiedliches Bruchverhalten. Bei tieferen Temperaturen, i.A. unter 0°C, kann es zu einem Wechsel im Bruchmechanismus vom Gleitbruch in den Spaltbruch kommen. Man spricht vom Übergangsbereich. Bei tieferen TEmperaturen trifft man dann ausschließlich Spaltbruch an, man spricht von der Tieflage. Bei höheren Temperaturen (bei den meisten Stählen ab Raumtemperatur) tritt ausschlielich Gleitbruch auf. Man spricht von Hochlage, weil der Gleitbruch eine hohe Energieaufnahme verursacht. Übergangstemperaturen von Stählen sind abhängig von der Stahlqualität und dem beabsichtigen Einsatzgebiet.
T27J Temperatur bei der im Kerbschlagbiegeversuch (EN10045) 27 Joule erreicht werden. Dient in vielen Bereichen von Konstruktionsstählen  zur Charakterisierung der Zähigkeit für die Stahlgütewahl zur Vermeidung von Sprödbruch. Wird aufgrund von EN-Normen (Technische Leiferbedingungen) als Mindestwert durch den Hersteller garantiert. Andere Werte wie T40J oder T68 J sind auch in Normen anzutreffen. Falls erforderlich können diese Werte mit der Charpy Master Curve auf das Niveau von T27J transformiert werden.
T100 Temperatur bei der im Bruchmechanikversuch gerade 100 MPam^0,5 erreicht werden. Wichtige Größe für die Anwendung des Master Curve Konzeptes.

Übergangstemperatur-

korrelation

 Korrelation zwischen der T27J und der T100 Temperatur. Notwendig für die Anwendung des Master Curve Konzeptes.
Master Curve Normierte bruchmechanische Zähigkeitskurve die für unlegierte Konstruktionsstähle mit Festigkeiten zwischen 235 und 890 MPa ferritischen Stählen gültig ist.
Master Curve Konzept Durch Anwendung der Übergangstemperaturkorrelation und der bruchmechanischen Master Curve können bruchmechanische Zähigkeitswerte für den Sprödbruchnachweis ohne Versuche ermittelt werden.
Fehlerannahme Für die Anwendung der Bruchmechanik ist es erforderlich einen Fehler anzunehmen. Diese Annahmen ist als Sicherheitselement für viele geschweißte Konsturktionen und für alle Gussprodukte als realitätsnah zu betrachten. Im Falle vorhandener Konstruktionen können nachträglich durch zerstörungsfreie Prüfung gefunden Fehler in den gemessenen Abmessungen verwendet werden.
Fehlertypen Im allgemeinen werden technische Fehler mit undefinierter Geometrie durch umhüllende Rissmodelle konserativ abgebildet. Aus der Erfahrung weiß man dass der innenliegende Fehler am ehesten durch eine Ellipse und der Oberflächenfehler durch eine Halbellipse abegebidlet werden kann. Fehler die die gesamte Blechdicke erfassen können auch auftreten.
Fehlergeometrie Man verwendet im allgemeinen den Buchstaben "a" für die Fehlertiefe und bei bei elliptischen und semi-elliptichen Fehlern zusätzlich den Buchstaben "c" für die längere Halbachse der Ellipse. Diese Fehler werden dann zusätzlich über das a/c-Verhältnis charakterrisiert.
Bauteilspannung Für die bruchmechanische Berechnung werden die globalen Bauteilspannungen mit, falls vorhanden, den Eigenspannungen kombiniert um die Rissspitzenbeanspruchung ausgedrückt als Spannungsintensitätsfaktor K oder J-Integral zu berechnen. Bei inhomogner Spannungsverteilung kann falls bekannt entweder der Spannungsverlauf mittels Gewichtsfunktionen zur Berechnung herangezogen werden, oder der Spannungsverlauf wird konservativ linearisiert.
Grenzzustand

Der Grennzustand für den Zähigkeitsnachweis mittels Bruchmechanik ist das Erreichen der Rissinitiierung durch Spalt-oder Gleitbruch. Als einfachtste Formulierung gilt

R = S

mit

R = Werkstoffwiderstand und

S = Risstreibend Kraft.

 

Durch Einsetzen entsprechender Formeln und Kennwerte in diese Formel erfolgt die Berechnung entweder:

 

  • einer kritischen Rissgröße oder
  • einer Mindestzähigkeit oder
  • einer Bruchlast.

(es müssen immer 2 Größen bekannt sein um die dritte zu berechnen).
FAD Failure Assessment Diagram oder 2-Kriterien Verfahren. Ermöglicht die Verwendung der Linear elastischem Bruchmechanik (Spannungsintensitätsfaktor K) mit elastisch plastischer Bruchmechanik (Kmat). Diese Methode wurde in England vom CEGB entwickelt und ist ein wichtiger Bestandteile der heuteigen Anwendung.
LEBM Linear Elastische Bruchmechanik. Die Anwendung ist auf rein elastisches Veralten beschränkt. Anwendungsgrenzen snd so formuliert das kleine plastsiche Zonen an der Rissspitze vor Rissinitiirung noch erlaubt sind. Ist aber für viele Stähle nur in der absoluten Tieflage anwendbar. Kennwert ist der Spannungsintensitätsfaktor K
EPBM Elastisch-plastische Bruchmechanik. Für die Anendung der Bruchmechanik bei WErkstoffen die lokale Spannungspitzen durch plastische Verformung abbauen können und damit wichtig für fast alle Stähle, aber auch Aluminium, Kupfer, usw. Kennwerte der EPBM sind das J-Integral und CTOD (Crack Tip Opening Displacement).