KIc Fracture Toughness Testing to ASTM E399 — Methods, Specimens and Result
Verfasst von Dr. Peter Bailey
Hochfeste Metalle können oft überraschend spröde versagen, insbesondere wenn ein Bauteil überlastet wird und bereits ein kleiner Riss vorhanden ist. Der Widerstand gegen lokales Versagen (im Gegensatz zur Zugfestigkeit des gesamten Materials) wird im Allgemeinen unter dem Oberbegriff Bruchzähigkeit beschrieben. Innerhalb dessen ist KIc ein Parameter für die kritische Spannungsintensität, oberhalb derer ein plötzliches katastrophales Versagen zu erwarten ist.
Die häufigste Anwendung findet sich in der Luft- und Raumfahrt, wo hochkontrollierte standardisierte Prüfungen erwartet werden; ASTM E399 wird häufig verwendet, aber gleichwertige Methoden werden von ISO und British Standards bereitgestellt. Die KIc-Bruchzähigkeitsprüfung liefert Endverbrauchern sowie Legierungsentwicklern und -herstellern eine Kennzahl für die Materialleistung und Qualitätskontrolle in kritischen Anwendungen.
Testing
Es werden Prüfstücke bearbeitet, die effektiv einen steifen Materialblock mit einer scharfen Kerbe auf einer Seite umfassen. Je nach praktischem Prüfaufbau oder zur optimalen Anpassung an die verfügbare Materialdicke, wenn sie aus einer Produktionslinie entnommen wird, werden unterschiedliche standardisierte Geometrien verwendet. Es ist wichtig, die Zähigkeit eines Metalls in verschiedenen Richtungen relativ zu den bei der Herstellung verwendeten Arbeitsprozessen (z. B. Walzen) zu prüfen, da die Leistung je nach Mikrostruktur unterschiedlich sein wird.
Jedes Prüfstück muss zunächst einen echten Riss aufweisen, der von der Kerbe ausgehend durch Ermüdungs-(zyklische) Belastung erzeugt wird, um eine wirklich „scharfe“ Linie zu erhalten, von der das Versagen ausgeht. Typischerweise dauert dieser Vorkonditionierungsprozess mindestens 30 Minuten, kann aber je nach Material und Geräteleistung auch wesentlich länger sein. Die eigentliche Hauptprüfung ist dann eine einfache, langsame Belastungsrampe, bis der Riss plötzlich oder schnell über den größten oder gesamten verbleibenden Querschnitt der Probe wächst. Die Probe wird dann getrennt und die genaue Länge und Form des ursprünglichen Risses gemessen, um eine genaue Berechnung der kritischen Spannungsintensität aus der aufgezeichneten Kraft, bei der das Versagen auftrat, zu ermöglichen.
Results
Mit guter Prüfausrüstung und Probenherstellung muss dies keine schwierig durchzuführende Prüfung sein. Die Ergebnisse könnten jedoch leicht durch eine Reihe von Faktoren verfälscht werden, daher sind internationale Prüfnormen für eine Reihe von Kriterien, die vergleichbare Ergebnisse zwischen Proben, Chargen oder Laboren gewährleisten sollen, sehr präskriptiv. Insbesondere ASTM E399 enthält mindestens 13 Gültigkeitsprüfungen, die erfüllt sein müssen, um einen vergleichbaren KIc-Wert zu deklarieren, und empfiehlt die Verwendung spezifischer automatisierter Algorithmen für die Datenanalyse (siehe ASTM E3076).
Bluehill Fracture wurde entwickelt, um einen klaren Workflow zur Unterstützung zu bieten, mit Optionen zur Erstellung optimierter und automatisierter Prüfabläufe für Qualitätskontrollumgebungen. Es bietet auch eine hohe Flexibilität für Forschungsanwender sowie eine detaillierte Aufschlüsselung der Gültigkeitsprüfungen und Zwischenergebnisse, falls ein Ergebnis die Standardanforderungen nicht erfüllt. Wenn Forscher oder Vertragsprüfstellen Ergebnisse in verschiedenen Formen bereitstellen müssen, können vorhandene Datensätze erneut geöffnet und sofort nach alternativen internationalen Standards neu analysiert, in verschiedenen Einheiten dargestellt (z. B. Wechsel von metrischen zu US-amerikanischen Einheiten) oder in alternative Berichtsvorlagen exportiert werden. Die Software implementiert alle empfohlenen Techniken und wird routinemäßig aktualisiert, um die neuesten Überarbeitungen der unterstützten Standards ASTM E399, ASTM B647, ISO 12135, BS 7448-1 widerzuspiegeln.
HINWEIS: Die langjährige BS7448-1:1991 wurde im August 2021 vom British Standards Institute formell zurückgezogen und durch BS EN ISO 12135:2021 ersetzt. Bluehill Fracture unterstützt weiterhin die BS7448-1-Analyse für Kunden, die die Vergleichbarkeit neuer Tests mit Altdaten benötigen.