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Erkenntnisniveauebenen der Bruchmechanik: Unterschied zwischen den Versionen

Aus Lexikon der Kunststoffprüfung
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<span style="font-size:1.2em;font-weight:bold;">Erkenntnisniveauebenen der Bruchmechanik</span><br>
<span style="font-size:1.2em;font-weight:bold;">Erkenntnisniveauebenen der Bruchmechanik</span><br>
Informationsgehalt  bruchmechanischer Werkstoffkenngrößen
Informationsgehalt  bruchmechanischer Werkstoffkenngrößen
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==Allgemeines==
==Allgemeines==


Bei der Anwendung bruchmechanischer Arbeitsmethoden (siehe [[Bruchmechanik]] und [[Bruchmechanische Prüfung]]) auf [[Kunststoffe]] können
Bei der Anwendung bruchmechanischer Arbeitsmethoden (siehe: [[Bruchmechanik]] und [[Bruchmechanische Prüfung]]) auf [[Kunststoffe]] können


* einerseits eine Reihe grundlegender methodischer Erkenntnisse und experimenteller Verfahren übernommen werden, die bei der Bewertung der [[Zähigkeit]] metallischer Werkstoffe gewonnen wurden und
* einerseits eine Reihe grundlegender methodischer Erkenntnisse und experimenteller Verfahren übernommen werden, die bei der Bewertung der [[Zähigkeit]] metallischer [[Werkstoff & Material|Werkstoffe]] gewonnen wurden und
* andererseits müssen die ausgeprägten Zeit- und Temperaturabhängigkeiten von Werkstoffen mit [[polymer]]er Matrix zu  kunststoffspezifischen methodischen Weiterentwicklungen führen (siehe z. B. [[Zähigkeit Temperaturabhängigkeit]]) [1, 2]
* andererseits müssen die ausgeprägten Zeit- und Temperaturabhängigkeiten von Werkstoffen mit [[polymer]]er Matrix zu  kunststoffspezifischen methodischen Weiterentwicklungen führen (siehe z. B.: [[Zähigkeit Temperaturabhängigkeit]]) [1, 2]


==Erkenntnisniveauebenen der Bruchmechanik==
==Erkenntnisniveauebenen der Bruchmechanik==
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In der Erkenntnisniveauebene I sind alle bruchmechanischen [[Werkstoffkenngröße]]n eingeordnet, die eine Bestimmung von Risszähigkeiten als Widerstand gegenüber instabiler Risseinleitung ermöglichen (siehe '''Tabelle 1''').<br>
In der Erkenntnisniveauebene I sind alle bruchmechanischen [[Werkstoffkenngröße]]n eingeordnet, die eine Bestimmung von Risszähigkeiten als Widerstand gegenüber instabiler Risseinleitung ermöglichen (siehe '''Tabelle 1''').<br>
In der Spalte 1 ist das jeweilige Bruchmechanik-Konzept, nach dem die Betrachtung des Werkstoffverhaltens erfolgt, aufgeführt. In der zweiten Spalte wurden die wesentlichen bruchmechanischen Kenngrößen zur Charakterisierung des rissspitzennahen Spannungs- und Verformungsfeldes aufgeführt und in den letzten beiden Spalten werden das jeweilige Rissbruchkriterium (siehe [[Bruchsicherheitskriterium]]) genannt und die Aussagefähigkeit der [[Werkstoffkenngröße]]n beschrieben.
In der Spalte 1 ist das jeweilige Bruchmechanik-Konzept, nach dem die Betrachtung des Werkstoffverhaltens erfolgt, aufgeführt. In der zweiten Spalte wurden die wesentlichen bruchmechanischen Kenngrößen zur Charakterisierung des rissspitzennahen Spannungs- und Verformungsfeldes aufgeführt und in den letzten beiden Spalten werden das jeweilige Rissbruchkriterium (siehe: [[Bruchsicherheitskriterium]]) genannt und die Aussagefähigkeit der [[Werkstoffkenngröße]]n beschrieben.


Das Konzept der [[Bruchmechanik#Linear-elastische_Bruchmechanik|linear-elastischen Bruchmechanik (LEBM)]], die LEBM mit Kleinbereichsfließen und das [[Äquivalentenergiekonzept]] ermöglichen eine quantitative Erfassung des Versagens auf der Basis kraft- bzw. spannungsdeterminierter [[Bruchmechanik|Bruchzähigkeiten]], da in die Bestimmungsgleichungen nur die Kraft- bzw. Spannungsmesswerte eingehen. Somit lassen sich auf Grund der Aussagemöglichkeiten die LEBM mit Kleinbereichsfließen und das Äquivalentenergiekonzept analog zur LEBM einordnen.
Das Konzept der [[Bruchmechanik#Linear-elastische_Bruchmechanik|linear-elastischen Bruchmechanik (LEBM)]], die LEBM mit Kleinbereichsfließen und das [[Äquivalentenergiekonzept]] ermöglichen eine quantitative Erfassung des Versagens auf der Basis kraft- bzw. spannungsdeterminierter [[Bruchmechanik|Bruchzähigkeiten]], da in die Bestimmungsgleichungen nur die Kraft- bzw. Spannungsmesswerte eingehen. Somit lassen sich auf Grund der Aussagemöglichkeiten die LEBM mit Kleinbereichsfließen und das Äquivalentenergiekonzept analog zur LEBM einordnen.


{|  
 
|- valign="top"
'''Tabelle 1''': Erkenntnisniveauebene I – Bruchmechanische Werkstoffkenngrößen als Widerstand gegenüber instabiler Risseinleitung
|width="75px"|'''Tabelle 1''':
{|border="1px" style="border-collapse:collapse"
|width="600px"|Erkenntnisniveauebene I – Bruchmechanische Werkstoffkenngrößen als Widerstand gegenüber instabiler Risseinleitung
|-
!width="200" style="text-align:center;|Bruchmechanik-Konzept
!width="5" colspan="3"|Kenngrößen zur Charakterisierung des Rissspitzennahen Spannungs- und Verformungsfeldes
!width="200"|Rissbruchkriterium
!width="200"|Aussagegehalt der Werkstoffkenngrößen
|-
!colspan="6"|Risszähigkeit als Widerstand gegenüber instabiler Risseinleitung
|-
|style="text-align:center"|Linear-Elastische Bruchmechanik (LEBM)
|colspan="3"|Spanungsintensitätsfaktoren
|style="text-align:center;|statische Risseinleitung
|rowspan="2"|kraft- bzw. spannungsdeterminierte
|-
|style="text-align:center"; rowspan="3"|LEBM <br><br>LEBM mit Kleinbereichsfließen <br><br>Äquivalentenergiekonzept
|rowspan="3"|<math>K_{I}(a_{0})</math> <br><br> <math>K_{I}(a_{eff})</math> <br><br> <math>K_{I}(F_{Q}^{*},\,a_{eff})</math>
|rowspan="3"|<div style="font-size:200%;"><math>\Biggr\rbrace</math>
|rowspan="2"|<br> kritische Werte: <br> <math>K_{Ic},\,K_{Id}</math>
|style="text-align:center;|<math>K_{I} \ge K_{Ic}</math>
|-
|style="text-align:center;|dynamische Risseinleitung
|rowspan="2"|Bruchzähigkeit (Risszähigkeit)
|-
|Mode I, II, III: <br> <math>K_{I},\,K_{II},\,K_{III}</math>
|style="text-align:center;|<br> <math>K_{I} \ge K_{Id}</math>
|-
|colspan="6"|&nbsp;
|-
|style="text-align:center"|Fließbruchmechanik (FBM)
|colspan="5"|&nbsp;
|-
|colspan="6"|&nbsp;
|-
|style="text-align:center"|CTOD-Konzept
|colspan="3"|Rissöffnungsverschiebung <br> <math>\delta_{Ic}, \delta_{Id}</math> <br> Mode I, II, III, Mixed Mode
|style="text-align:center;|<math>\delta_{I} \ge \delta_{Ic}</math> <br> <math>\delta_{I} \ge \delta_{Id}</math>
|verformungsdeterminierte kritische Rissöffnungsverschiebung
|-
|colspan="6"|&nbsp;
|-
|style="text-align:center"|J-Integral-Konzept
|colspan="3"|J-Integral <br> <math>J_{Ic}, J_{Id}</math> <br> Mode I, II, III, Mixed Mode
|style="text-align:center;|<math>J_{I} \ge J_{Ic}</math> <br> <math>J_{I} \ge J_{Id}</math>
|energiedeterminiertes ''J''-Integral
|}
|}
[[Datei:Erkenntnisniveauebenen-1.jpg|800px]]


Die nach dem [[Crack Tip Opening Displacement-Konzept|Crack Tip Opening Displacement (CTOD)-Konzept]] der Fließbruchmechanik (FBM) ermittelten Kenngrößen der [[ Erweitertes CTOD-Konzept|Rissöffnungsverschiebung]] &delta;<sub>Ic</sub>, &delta;<sub>Id</sub> bei statischer bzw. dynamischer [[Beanspruchung]] erweisen sich als verformungsdeterminierte bruchmechanische Werkstoffkenngrößen, da bei ihrer Berechnung ausschließlich nur Verformungswerte (Kerbaufweitung, [[Rissöffnung]] und maximale Durchbiegung) Berücksichtigung finden.<br>
Die nach dem [[Crack Tip Opening Displacement-Konzept|Crack Tip Opening Displacement (CTOD)-Konzept]] der Fließbruchmechanik (FBM) ermittelten Kenngrößen der [[Erweitertes CTOD-Konzept|Rissöffnungsverschiebung]] &delta;<sub>Ic</sub>, &delta;<sub>Id</sub> bei statischer bzw. dynamischer [[Beanspruchung]] erweisen sich als verformungsdeterminierte bruchmechanische Werkstoffkenngrößen, da bei ihrer Berechnung ausschließlich nur Verformungswerte (Kerbaufweitung, [[Rissöffnung]] und maximale Durchbiegung) Berücksichtigung finden.<br>
Im Zusammenhang mit der [[Prüfung von Verbundwerkstoffen]], d. h. der Zähigkeitsbewertung von [[Prüfung_von_Verbundwerkstoffen|Faserverbundwerkstoffen]] aber auch Klebverbindungen haben die experimentellen Methoden und Auswerteformalismen zur Mode II -, Mode III- und Mixed-Mode-Beanspruchung (siehe [[Bruchmoden]] und [[Rissöffnungsmoden]]) eine zunehmende Bedeutung erhalten.
Im Zusammenhang mit der [[Prüfung von Verbundwerkstoffen]], d. h. der Zähigkeitsbewertung von [[Faserverstärkte Kunststoffe|Faserverbundwerkstoffen]] aber auch [[Klebverbindungen_–_Kennwertermittlung|Klebverbindungen]] haben die experimentellen Methoden und Auswerteformalismen zur Mode II -, Mode III- und Mixed-Mode-Beanspruchung (siehe: [[Bruchmoden]] und [[Rissöffnungsmoden]]) eine zunehmende Bedeutung erhalten.


Während das CTOD-Konzept verformungsdeterminiert und das LEBM-Konzept bruchkraftdeterminiert ist, ermöglicht das [[J-Integral-Konzept]] eine energetische Interpretation des Bruchverhaltens, da hier sowohl Kraft- als auch Verformungsmesswerte Berücksichtigung finden. Damit nimmt das J-Integral-Konzept eine zentrale Stellung bei der Bewertung des [[Bruchverhalten]]s ein.
Während das CTOD-Konzept verformungsdeterminiert und das LEBM-Konzept bruchkraftdeterminiert ist, ermöglicht das [[J-Integral-Konzept]] eine energetische Interpretation des Bruchverhaltens, da hier sowohl Kraft- als auch Verformungsmesswerte Berücksichtigung finden. Damit nimmt das J-Integral-Konzept eine zentrale Stellung bei der Bewertung des [[Bruchverhalten]]s ein.
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Bei der Anwendung des J-Integral-Konzeptes zur Ermittlung bruchmechanischer [[Werkstoffkenngröße]]n ist zu beachten, dass in den meisten Fällen der mechanischen [[Beanspruchung]] der resultierende [[Bruch]] durch eine stabile [[Rissausbreitung]] eingeleitet wird. Die Bewertung der Risszähigkeit als Widerstand gegenüber stabiler [[Rissinitiierung|Risseinleitung]] und -ausbreitung (siehe '''Tabelle 2''') erfolgt auf der Basis des [[Risswiderstandskurve|Risswiderstands (R)-Konzeptes]].
Bei der Anwendung des J-Integral-Konzeptes zur Ermittlung bruchmechanischer [[Werkstoffkenngröße]]n ist zu beachten, dass in den meisten Fällen der mechanischen [[Beanspruchung]] der resultierende [[Bruch]] durch eine stabile [[Rissausbreitung]] eingeleitet wird. Die Bewertung der Risszähigkeit als Widerstand gegenüber stabiler [[Rissinitiierung|Risseinleitung]] und -ausbreitung (siehe '''Tabelle 2''') erfolgt auf der Basis des [[Risswiderstandskurve|Risswiderstands (R)-Konzeptes]].


{|  
'''Tabelle 2''': Erkenntnisniveauebene II – Bruchmechanische Werkstoffkenngrößen als Widerstand gegenüber stabiler Risseinleitung und -ausbreitung
|- valign="top"
{|border="1px" style="border-collapse:collapse"
|width="75px"|'''Tabelle 2''':  
|-
|width="600px"|Erkenntnisniveauebene II – Bruchmechanische Werkstoffkenngrößen als Widerstand gegenüber stabiler Risseinleitung und -ausbreitung
!width="150"|Bruchmechanik-Konzept
!width="500" colspan="3"|Kenngrößen zur Charakterisierung des Rissspitzennahen Spannungs- und Verformungsfeldes
!width="100"|Rissbruchkriterium
!width="100"|Aussagegehalt der Werkstoffkenngrößen
|-
|colspan="6"|&nbsp;
|-
|Risswiderstands-(R)-Konzept
|style="text-align:center" |Risseinleitung
|style="text-align:center" |Rissausbreitung
|style="text-align:center" |verallgemeinertes <br> Risswachstum
|style="text-align:center" |Risseinleitung
|&nbsp;
|-
|colspan="4"|&nbsp;
|rowspan="2" style="text-align:center" |<br><math>\delta; J_{Bauteil} \ge \delta_{i}; J_{i\,bzw.\,0,2}</math>
|rowspan="4" style="text-align:center" |<math>J \cdot T_{J}, \delta \cdot T_{\delta}</math>-gesteuertes stabiles Risswachstum
|-
|CTOD-Widerstandskurve
|style="text-align:center" |<math>\delta_{/phys}, \delta_{0,2}</math>
|style="text-align:center" |<math>T_{\delta}=\frac{d\,\delta}{d(\Delta a)}\,\frac{E}{R_{e}}</math>
|style="text-align:center" |<math>\delta \cdot T_{\delta}</math>
|-
|colspan="4"|&nbsp;
|style="text-align:center" |Rissausbreitung
|-
|J-R-Kurve
|style="text-align:center" |<math>J_{/phys}, J_{0,2}</math>
|style="text-align:center" |<math>T_{J}=\frac{d\,J}{d(\Delta a)}\,\frac{E}{R_{e}^{2}}</math>
|style="text-align:center" |<math>J \cdot T_{J}</math>
|style="text-align:center" |<math>\frac{d\,J_{Bauteil}}{d(\Delta a)} \ge \frac{d\,J_{Werkstoff}}{d(\Delta a)}</math>
|-
|colspan="6"|&nbsp;
|-
|rowspan="2"|J-T-Stabilitätsdiagramm
|style="text-align:center"; rowspan="2" colspan="3"|Instabilitätskennwert <math>J_{50}</math>
|style="text-align:center" |Instabilität durch fortschreitende Rissausbreitung
|rowspan="2" style="text-align:center" |energiedeterminierte plastische Instabilität
|-
|style="text-align:center" |<math>T_{Bauteil} \ge T_{Werkstoff}</math>
|}
|}
[[Datei:Erkenntnisniveauebenen-2.jpg|800px]]


Zur Konstruktion von [[Risswiderstandskurve|Risswiderstands(R)-Kurven]] werden als Beanspruchungsparameter die Rissöffnung &delta; und der J-Integralwert gegenüber dem Spannungsintensitätsfaktor K<sub>I</sub> des LEBM-Konzeptes bevorzugt.<br>
Zur Konstruktion von [[Risswiderstandskurve|Risswiderstands(R)-Kurven]] werden als Beanspruchungsparameter die Rissöffnung &delta; und der J-Integralwert gegenüber dem Spannungsintensitätsfaktor K<sub>I</sub> des LEBM-Konzeptes bevorzugt.<br>
Der Widerstand gegenüber der tatsächlichen Risseinleitung wird mit J<sub>iphys</sub> bzw. &delta;<sub>iphys</sub> und der Widerstand gegenüber stabiler Rissausbreitung mit T<sub>&delta;</sub> bzw. T<sub>J</sub> bezeichnet, die den Anstieg der R-Kurve multipliziert mit E/Re bzw. E/Re<sup>2</sup> darstellen.<br>
Der Widerstand gegenüber der tatsächlichen Risseinleitung wird mit J<sub>iphys</sub> bzw. &delta;<sub>iphys</sub> und der Widerstand gegenüber stabiler Rissausbreitung mit T<sub>&delta;</sub> bzw. T<sub>J</sub> bezeichnet, die den Anstieg der R-Kurve multipliziert mit E/Re bzw. E/Re<sup>2</sup> darstellen.<br>
Will und Michel [6, 7] haben ausgehend von der Energiebilanz am [[Riss]] ein praktikables Modell zur Bewertung des stabilen Risswachstums eingeführt (siehe [[JTJ-Konzept|JT<sub>J</sub>-Konzept]]).
Will und Michel [6, 7] haben ausgehend von der Energiebilanz am [[Riss]] ein praktikables Modell zur Bewertung des stabilen Risswachstums eingeführt (siehe: [[JTJ-Konzept|JT<sub>J</sub>-Konzept]]).


'''Danach tritt stabiles Risswachstum dann auf, wenn die in der plastischen Zone materialspezifisch dissipierte Energie den Überschuss an verfügbarer Energie hervorgerufen durch den Risszuwachs kompensiert.'''
'''Danach tritt stabiles Risswachstum dann auf, wenn die in der plastischen Zone materialspezifisch dissipierte Energie den Überschuss an verfügbarer Energie hervorgerufen durch den Risszuwachs kompensiert.'''
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Als ein weiteres zähbruchmechanisches Kriterium wurde von Paris und Johnson [8] der Instabilitätskennwert J<sub>50</sub> eingeführt. Zu seiner experimentellen Bestimmung wird ein graphisches Verfahren [9] angewendet, mit dem J-Δa- in J-T-Stabilitätsdiagramme transformiert werden.
Als ein weiteres zähbruchmechanisches Kriterium wurde von Paris und Johnson [8] der Instabilitätskennwert J<sub>50</sub> eingeführt. Zu seiner experimentellen Bestimmung wird ein graphisches Verfahren [9] angewendet, mit dem J-Δa- in J-T-Stabilitätsdiagramme transformiert werden.


Mittels derartiger Diagramme sind Aussagen zur Wachstumsinstabilität von Rissen in Bauteilen möglich, ohne das Verfahren zur Bestimmung von Risszähigkeiten als Widerstand gegenüber instabiler Rissausbreitung anzuwenden.
Mittels derartiger Diagramme sind Aussagen zur Wachstumsinstabilität von Rissen in [[Kunststoffbauteil|Bauteilen]] möglich, ohne das Verfahren zur Bestimmung von [[Risszähigkeit]]en als Widerstand gegenüber instabiler [[Rissausbreitung]] anzuwenden.


===Risszähigkeiten als Widerstand gegenüber der Änderungsgeschwindigkeit von Kenngrößen===
===Risszähigkeiten als Widerstand gegenüber der Änderungsgeschwindigkeit von Kenngrößen===
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Für die der Bestimmung von Risszähigkeiten als Widerstand  gegenüber der Änderungsgeschwindigkeit von Kenngrößen auf der Grundlage der Erkenntnisniveauebene III, liegen einerseits nur begrenzt experimentelle Ergebnisse vor, andererseits sind hier entscheidende Fortschritte bei einer werkstoffbezogenen Zähigkeitsbewertung zu erwarten [10‒13] (siehe '''Tabelle 3''').
Für die der Bestimmung von Risszähigkeiten als Widerstand  gegenüber der Änderungsgeschwindigkeit von Kenngrößen auf der Grundlage der Erkenntnisniveauebene III, liegen einerseits nur begrenzt experimentelle Ergebnisse vor, andererseits sind hier entscheidende Fortschritte bei einer werkstoffbezogenen Zähigkeitsbewertung zu erwarten [10‒13] (siehe '''Tabelle 3''').


{|  
'''Tabelle 3''': Erkenntnisniveauebene III – Bruchmechanische Werkstoffkenngrößen als Widerstand gegenüber der Änderungsgeschwindigkeit von Kenngrößen durch Berücksichtigung der zeitlichen Änderung der Verformungsenergie
|- valign="top"
{|border="1px" style="border-collapse:collapse"
|width="75px"|'''Tabelle 3''':
|-
|width="600px"|Erkenntnisniveauebene III – Bruchmechanische Werkstoffkenngrößen als Widerstand gegenüber der Änderungsgeschwindigkeit von Kenngrößen durch Berücksichtigung der zeitlichen Änderung der Verformungsenergie
!width="150"|Bruchmechanik-Konzept
!width="400"|Kenngrößen zur Charakterisierung des rissspitzennahen Spannungs- und Verformungsfeldes
!width="100"|Rissbruchkriterium
!width="100"|Aussagegehalt der Werkstoffkenngrößen
|-
|colspan="4" style="text-align:center" |'''Risszähigkeit als Widerstand gegenüber der Änderungsgeschwindigkeit von Kenngrößen'''
|-
|
|style="text-align:center" |Berücksichtigung der zeitlichen Änderung der Verformungsenergie
|colspan="2"|
|-
|Modifiziertes CTOD- und J-Konzept
|style="text-align:center" |<math>\dot \delta_{Ic}=\frac{\delta_{Ic}}{t_{B}};\;\dot \delta_{Id}=\frac{\delta_{Id}}{t_{B}}</math> <br>t <sub>B</sub> – Bruchzeit <br><math>\dot J_{Ic}=\frac{J_{Id}}{t_{B}};\;\dot J_{Id}=\frac{J_{Id}}{t_{B}}</math>
|style="text-align:center" |<math>\dot \delta_{I} \ge \dot \delta_{Ic};\;\dot \delta_{I} \ge \dot \delta_{Id}</math> <br><br><br><math>\dot J_{I} \ge \dot J_{Ic};\;\dot J_{I} \ge \dot J_{Id}</math>
|<math>\dot \delta</math>- bzw. <math>\dot J</math>-kontrolliertes Risswachstum <br><br>(energiegeschwindigkeitsdeterminierte plastische Instabilität)
|-
|<math>\dot R</math>-Konzept
|colspan="3"|
|-
|<math>\dot \delta-\Delta a</math> <br><math>\dot J-\Delta a</math>
|style="text-align:center" |<math>\dot \delta_{i};\;\dot T_{\delta}\;\;\;\dot \delta_{i} \cdot \dot T_{\delta}</math> <br><math>\dot J_{i};\;\dot T_{J}\;\;\;\dot J_{i} \cdot \dot T_{J}</math>
|style="text-align:center" |<math>\dot T_{\delta_{Bauteil}} \ge \dot T_{\delta_{Werkstoff}}</math> <br><math>\dot T_{J_{Bauteil}} \ge \dot T_{J_{Werkstoff}}</math>
|
|}
|}
[[Datei:Erkenntnisniveauebenen-3.jpg|800px]]


Die Beanspruchungsgeschwindigkeit übt bekanntermaßen einen sehr großen Einfluss auf das [[Bruchverhalten]] [[polymer]]er Werkstoffe aus, wobei bei der Durchführung bruchmechanischer Untersuchungen meistens die [[Traversengeschwindigkeit]] der [[Materialprüfmaschine]], die Auftreffgeschwindigkeit eines Pendel- oder Fallhammers oder die Auftreffgeschwindigkeit von Projektilen bei den Arrestversuchen angegeben werden. Die Angaben zu den eingeprägten [[Geschwindigkeit]]en sind jedoch nicht vergleichbar, da unterschiedliche [[Prüfkörper]]typen eine unterschiedliche Umsetzung der Lastangriffspunktverschiebung in die [[Deformation]] des Rissspitzenbereiches her-vorrufen (siehe auch [[Bruchprozesszone]]).<br>
Die Beanspruchungsgeschwindigkeit (siehe: [[Prüfgeschwindigkeit]]) übt bekanntermaßen einen sehr großen Einfluss auf das [[Bruchverhalten]] [[polymer]]er Werkstoffe aus, wobei bei der Durchführung bruchmechanischer Untersuchungen meistens die [[Traversengeschwindigkeit]] der [[Materialprüfmaschine]], die Auftreffgeschwindigkeit eines Pendel- oder Fallhammers oder die Auftreffgeschwindigkeit von Projektilen bei den Arrestversuchen angegeben werden. Die Angaben zu den eingeprägten [[Geschwindigkeit]]en sind jedoch nicht vergleichbar, da unterschiedliche [[Prüfkörper]]typen eine unterschiedliche Umsetzung der Lastangriffspunktverschiebung in die [[Deformation]] des Rissspitzenbereiches hervorrufen (siehe auch: [[Bruchprozesszone]]).<br>
Als Maß für die Beschreibung der [[Zähigkeit]] als Widerstand gegenüber der Änderungsgeschwindigkeit erscheint die Rissöffnungsverschiebungsgeschwindigkeit geeignet, da sie eine vergleichbare, den Einfluss unterschiedlicher Prüfkörpergeometrien kompensierende [[Kenngröße]] darstellt. Analog zu dieser Beschreibung des Risswachstums kann für das [[J-Integral-Konzept|J-Integral]] und das [[Risswiderstandskurve|R-Kurven-Konzept]] und auch für das [[Bruchmechanik|LEBM-Konzept]] die zeitliche Änderung der Beanspruchungsgröße zur Werkstoffbeurteilung herangezogen werden. Die Kenngröße J ist damit als Energiegeschwindigkeitsänderung aufzufassen und man spricht von J-kontrolliertem Risswachstum.
Als Maß für die Beschreibung der [[Zähigkeit]] als Widerstand gegenüber der Änderungsgeschwindigkeit erscheint die Rissöffnungsverschiebungsgeschwindigkeit geeignet, da sie eine vergleichbare, den Einfluss unterschiedlicher Prüfkörpergeometrien kompensierende [[Kenngröße]] darstellt. Analog zu dieser Beschreibung des Risswachstums kann für das [[J-Integral-Konzept|J-Integral]] und das [[Risswiderstandskurve|R-Kurven-Konzept]] und auch für das [[Bruchmechanik|LEBM-Konzept]] die zeitliche Änderung der Beanspruchungsgröße zur Werkstoffbeurteilung herangezogen werden. Die Kenngröße J ist damit als Energiegeschwindigkeitsänderung aufzufassen und man spricht von J-kontrolliertem Risswachstum.


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Mit der Einteilung der bruchmechanischen Werkstoffkenngrößen erhöht sich beim Übergang in die nächst höhere Erkenntnisniveauebene der theoretische Anspruch bzgl. der Kenntnisse der bruchmechanischen Konzepte, der Schwierigkeitsgrad in der experimentellen Methodik und auch der Aufwand bei der Automatisierung z. B. bei der Ermittlung der Länge des stabilen Risswachstums ('''Tabelle 4''').
Mit der Einteilung der bruchmechanischen Werkstoffkenngrößen erhöht sich beim Übergang in die nächst höhere Erkenntnisniveauebene der theoretische Anspruch bzgl. der Kenntnisse der bruchmechanischen Konzepte, der Schwierigkeitsgrad in der experimentellen Methodik und auch der Aufwand bei der Automatisierung z. B. bei der Ermittlung der Länge des stabilen Risswachstums ('''Tabelle 4''').


{|  
'''Tabelle 4''': Entwicklungsstand bei der bruchmechanischen Werkstoffprüfung, Probleme bei der Kennwertermittlung und Zielstellungen
|- valign="top"
{|border="1px" style="border-collapse:collapse"
|width="75px"|'''Tabelle 4''':  
|-
|width="600px"|Entwicklungsstand bei der bruchmechanischen Werkstoffprüfung, Probleme bei der Kennwertermittlung und Zielstellungen
!width="150"|
!colspan="3"|Kennwerte als Widerstand gegen Risseinleitung und -ausbreitung
|-
!style="text-align:center"|Ebene
|width="200"; style="text-align:center"|I
|width="200"; style="text-align:center"|II
|width="200"; style="text-align:center"|III
|-
!style="text-align:center"|Stand
|style="text-align:center"|bei instabilem <br> Risswachstum
|style="text-align:center"|bei stabilem <br> Risswachstum
|style="text-align:center"|als Funktion der <br> Änderungsgeschwindigkeit
|-
|benötigter Aufwand zur Ermittlung der Kennwerte
|style="text-align:center"|relativ gering, <br> leicht automatisierbar
|style="text-align:center"|relativ hoch, <br> bisher schwer automatisierbar
|style="text-align:center"|sehr hoch
|-
|aktuelle Verbreitung von Zähigkeitskennwerten
|style="text-align:center"|weitgehende Verbreitung in der industriellen Praxis
|style="text-align:center"|eingeschränkte Verbreitung auf spezialisierte Prüfanstalten und Wissensträger
|style="text-align:center"|noch aktueller Forschungsgegenstand
|-
|Zielstellungen
|style="text-align:center"|vollständig automatisierte Kennwertermittlung
|style="text-align:center"|maschinelle Risslängenbestimmung
|style="text-align:center"|Verbreitung in der Praxis, Erarbeitung von Auswertekonzepten, Normung
|-
|Informationsgehalt
|style="text-align:center"|einparametrige Beschreibung des Bruchverhaltens
|style="text-align:center"|mehrnparametrige Beschreibung des Bruchverhaltens
|style="text-align:center"|umfassende Bewertung der Rissausbreitungskinetik
|}
|}
[[Datei:Erkenntnisniveauebenen-4.jpg|800px]]


==Siehe auch==
==Siehe auch==
Zeile 92: Zeile 223:
*[[Crack Tip Opening Displacement-Konzept]]
*[[Crack Tip Opening Displacement-Konzept]]
*[[JTJ-Konzept]]
*[[JTJ-Konzept]]
*[[Bruchverhalten von Kunststoffbauteilen]]


 
==Literaturhinweise==
 
'''Literaturhinweise'''


{|
{|
|-valign="top"
|-valign="top"
|[1]
|[1]
|[[Blumenauer,_Horst|Blumenauer, H.]], Pusch, G.: Technische Bruchmechanik. Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie, Leipzig Stuttgart (2003), 3. Auflage, (ISBN 3-342-00659-5; siehe [[AMK-Büchersammlung]] unter E 29-3)
|[[Blumenauer,_Horst|Blumenauer, H.]], Pusch, G.: Technische Bruchmechanik. Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie, Leipzig Stuttgart (2003), 3. Auflage (ISBN 3-342-00659-5; siehe [[AMK-Büchersammlung]] unter E 29-3)
|-valign="top"
|-valign="top"
|[2]
|[2]
|Anderson, T. L.: Fracture Mechanics ‒ Fundamental and Applications. CRC Press, Boca Raton (2005) (ISBN 978-0849342608; siehe [[AMK-Büchersammlung]] unter E 8-2), DOI: [https://doi.org/10.1201/9781315370293 https://doi.org/10.1201/9781315370293]
|Anderson, T. L.: Fracture Mechanics ‒ Fundamental and Applications. CRC Press, Boca Raton (2005) (ISBN 978-0849342608; siehe [[AMK-Büchersammlung]] unter E 8-2); [https://doi.org/10.1201/9781315370293 https://doi.org/10.1201/9781315370293]
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|[3]
|[3]
|[[Grellmann,_Wolfgang|Grellmann, W.]], [[Seidler,_Sabine|Seidler, S.]]: Anwendung des instrumentierten Kerbschlagbiegeversuches in der Werkstoffentwicklung von Kunststoffen. DVM-Tagung „Werkstoffprüfung 1990“, 6. und 7.12.1990, Bad Nauheim Tagungsband. S. 79‒88
|[[Grellmann,_Wolfgang|Grellmann, W.]], [[Seidler,_Sabine|Seidler, S.]]: Anwendung des instrumentierten Kerbschlagbiegeversuches in der Werkstoffentwicklung von Kunststoffen. DVM-Tagung „Werkstoffprüfung 1990“, 6. und 7.12.1990, Bad Nauheim Tagungsband S. 79‒88
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|[4]
|[4]
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|[https://de.wikipedia.org/wiki/Wolfgang_Grellmann Grellmann, W.]: Neue Entwicklungen bei der bruchmechanischen  Zähigkeitsbewertung von Kunststoffen und Verbunden. In: Grellmann, W., Seidler, S. (Hrsg.): Deformation und Bruchverhalten von Kunststoffen. Springer Berlin Heidelberg (1998) S. 3‒26 (ISBN 3-540-63671-4, siehe [[AMK-Büchersammlung]] unter A 6), DOI: [https://link.springer.com/chapter/10.1007/978-3-642-58766-5_1#citeas https://link.springer.com/chapter/10.1007/978-3-642-58766-5_1#citeas]
|[https://de.wikipedia.org/wiki/Wolfgang_Grellmann Grellmann, W.]: Neue Entwicklungen bei der bruchmechanischen  Zähigkeitsbewertung von Kunststoffen und Verbunden. In: Grellmann, W., [https://www.researchgate.net/profile/Sabine-Seidler Seidler, S.] (Hrsg.): Deformation und Bruchverhalten von Kunststoffen. Springer Berlin Heidelberg (1998) S. 3‒26 (ISBN 3-540-63671-4, siehe [[AMK-Büchersammlung]] unter A 6); [https://doi.org/10.1007/978-3-642-58766-5_1 https://doi.org/10.1007/978-3-642-58766-5_1]
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|[https://researchgate.net/profile/Ralf-Lach Lach, R.], Grellmann, W.: J-T<sub>J</sub>- und &delta;-T<sub>&delta;</sub> -Stabilitätsdiagramme als Grundlage einer alternativen Methode zur Ermittlung von Instabilitätswerten aus Risswiderstandskurven. In: Grellmann, W., Seidler, S. (Hrsg.) Deformation und Bruchverhalten von Kunststoffen. Springer Berlin Heidelberg (1998) 145‒154 (ISBN 3-540-63671-4; siehe [[AMK-Büchersammlung]] unter A 6), DOI: [https://link.springer.com/chapter/10.1007/978-3-642-58766-5_11#citeas https://link.springer.com/chapter/10.1007/978-3-642-58766-5_11#citeas]
|[https://researchgate.net/profile/Ralf-Lach Lach, R.], Grellmann, W.: J-T<sub>J</sub>- und &delta;-T<sub>&delta;</sub> -Stabilitätsdiagramme als Grundlage einer alternativen Methode zur Ermittlung von Instabilitätswerten aus Risswiderstandskurven. In: Grellmann, W., [https://de.wikipedia.org/wiki/Sabine_Seidler Seidler, S.] (Hrsg.) Deformation und Bruchverhalten von Kunststoffen. Springer Berlin Heidelberg (1998) S. 145‒154 (ISBN 3-540-63671-4; siehe [[AMK-Büchersammlung]] unter A 6); [https://doi.org/10.1007/978-3-642-58766-5_11 https://doi.org/10.1007/978-3-642-58766-5_11]
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|Lach, R., Grellmann, W.: Time-dependent Fracture Behaviour of Polymers at Impact and Quasi-Static Loading Conditions. In: Grellmann, W., Langer, B. (Eds.): Deformation and Fracture Behaviour of Polymer Materials. Springer-Verlag, Berlin (2017) 3‒21 (ISBN 978-3-319-41877-3; siehe [[AMK-Büchersammlung]] unter A 19), DOI: [https://link.springer.com/chapter/10.1007/978-3-319-41879-7_1#citeas https://link.springer.com/chapter/10.1007/978-3-319-41879-7_1#citeas]
|Lach, R., Grellmann, W.: Time-dependent fracture behaviour of polymers at impact and quasi-static loading conditions. In: Grellmann, W., Langer, B. (Eds.): Deformation and Fracture Behaviour of Polymer Materials. Springer-Verlag, Berlin (2017) S. 3‒21 (ISBN 978-3-319-41877-3; siehe [[AMK-Büchersammlung]] unter A 19); [https://doi.org/10.1007/978-3-319-41879-7_1 https://doi.org/10.1007/978-3-319-41879-7_1]
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|[12]
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|Lach, R., Seidler, S., Grellmann, W.: Resistance Against the Intrinsic Rate of Fracture Mechanics Parameters for Polymeric Materials under Moderate Impact Loading. Mechanics of Time-Dependent Materials 9 (2005) S. 103‒119, DOI: [https://doi.org/10.1007/s11043-005-1084-y https://doi.org/10.1007/s11043-005-1084-y]
|Lach, R., Seidler, S., Grellmann, W.: Resistance against the intrinsic rate of fracture mechanics parameters for polymeric materials under moderate impact loading. Mechanics of Time-Dependent Materials 9 (2005) S. 103‒119; [https://doi.org/10.1007/s11043-005-1084-y https://doi.org/10.1007/s11043-005-1084-y]
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|[13]
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|Lach, R., Grellmann, W.: Time- and Temperature-dependent Fracture Mechanics of Polymers: General Aspects at Monotonic Quasistatic and Impact Loading Conditions. Macromolecular Materials and Engineering 273 (2008) S. 555‒567, DOI: [https://doi.org/10.1002/mame.200700417 https://doi.org/10.1002/mame.200700417]
|Lach, R., Grellmann, W.: Time- and temperature-dependent fracture mechanics of polymers: General aspects at monotonic quasistatic and impact loading conditions. Macromolecular Materials and Engineering 273 (2008) S. 555‒567; [https://doi.org/10.1002/mame.200700417 https://doi.org/10.1002/mame.200700417]
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Zusatzliteratur zur Bewertung der Zähigkeit von Kunststoffen mit dem  
'''Zusatzliteratur zur Bewertung der [[Zähigkeit]] von [[Kunststoffe]]n mit dem [[JTJ-Konzept|JT<sub>J</sub>-Konzept]]'''
JT<sub>J</sub>-Konzept
 
* Grellmann, W., Seidler, S.: Risszähigkeit von Kunststoff-Messungen bei dynamischer Beanspruchung. Materialprüfung 33 (1991) 7–8 S. 213–218
 
* Grellmann, W., Seidler, S., Oberbach, K.: Ermittlung dynamischer Risswiderstandskurven von Polymerblendes mit Hilfe des instrumentierten Kerbschlagbiegeversuches, 23. Vortragsveranstaltung, DVM‑Arbeitskreis "Bruchvorgänge", Berlin, 26.‒ 27.2.1991, Tagungsband S. 401‒412


* Grellmann, W., Seidler, S.: Risszähigkeit von Kunststoff-Messungen bei dynamischer Beanspruchung. Materialprüfung 33 (1991) 7-8, S. 213–218
* Grellmann, W., Seidler, S., Oberbach, K.: Ermittlung dynamischer Risswiderstandskurven von Polymerblendes mit Hilfe des instrumentierten Kerbschlagbiegeversuches, 23. Vortragsveranstaltung, DVM‑Arbeitskreis "Bruchvorgänge", Berlin, 26.‒ 27.2.1991, Tagungsband, S. 401‒412
* Seidler, S., Grellmann, W.: Bruchverhalten und Morphologie von PC/ABS Blends ‒ Anwendung moderner Konzepte der Fließbruchmechanik zur Optimierung der  Zähigkeit. 2. Erlanger Kunststoff‑Tage, Erlangen, 17.‒19.4.1991, Werkstoffcharakterisierung und Qualitätssicherung, Zahradnik, F., Kaschta, J. (Hrsg.), Selbstverlag (1991), Erlangen, S. 125‒145
* Seidler, S., Grellmann, W.: Bruchverhalten und Morphologie von PC/ABS Blends ‒ Anwendung moderner Konzepte der Fließbruchmechanik zur Optimierung der  Zähigkeit. 2. Erlanger Kunststoff‑Tage, Erlangen, 17.‒19.4.1991, Werkstoffcharakterisierung und Qualitätssicherung, Zahradnik, F., Kaschta, J. (Hrsg.), Selbstverlag (1991), Erlangen, S. 125‒145
* Grellmann, W., Seidler, S., Oberbach, K.: Dynamische Risswiderstandskurven von Polymerblends. 14. Gesa‑Symposium  "Experimentelle  Mechanik in Forschung und Praxis", Berlin,  25.‒ 26.4.1991, VDI‑Berichte Nr. 882 (1991), S. 433‒443
 
* Grellmann, W., Seidler, S., Oberbach, K.: Dynamische Risswiderstandskurven von Polymerblends. 14. Gesa‑Symposium  "Experimentelle  Mechanik in Forschung und Praxis", Berlin,  25.‒ 26.4.1991, VDI‑Berichte Nr. 882 (1991) S. 433‒443
 
* Seidler, S., Grellmann, W.: Charakterisierung des Risswiderstandsverhaltens von  Kunststoffen mit dem JT<sub>J</sub>-Konzept. "Werkstoffprüfung 1992", Bad-Nauheim, 3. und 4. Dezember 1992, Tagungsband S. 387‒393
* Seidler, S., Grellmann, W.: Charakterisierung des Risswiderstandsverhaltens von  Kunststoffen mit dem JT<sub>J</sub>-Konzept. "Werkstoffprüfung 1992", Bad-Nauheim, 3. und 4. Dezember 1992, Tagungsband S. 387‒393
* Seidler, S., Grellmann, W.: Anwendung bruchmechanischer Werkstoffkenngrößen in der Kunststoffentwicklung. Plaste und Kautschuk 40 (1993) H. 8., S. 263‒269 [https://www.polymerservice-merseburg.de/fileadmin/inhalte/psm/veroeffentlichungen/Anwendung_bruchmechanischer_Werkstoffkenngroessen_in_der_Kunststoffentwicklung.pdf Download als pdf]
* Seidler, S., Grellmann, W.: Anwendung bruchmechanischer Werkstoffkenngrößen in der Kunststoffentwicklung. Plaste und Kautschuk 40 (1993) H. 8., S. 263‒269 [https://www.polymerservice-merseburg.de/fileadmin/inhalte/psm/veroeffentlichungen/Anwendung_bruchmechanischer_Werkstoffkenngroessen_in_der_Kunststoffentwicklung.pdf Download als pdf]
* Grellmann, W., Seidler, S., Langer, B.: J-Integral-Analyse von Kurzfaser-Verbundwerkstoffen. "Werkstoffprüfung 1993", Bad Nauheim 2. und 3. Dezember 1993 Tagungsband S. 317‒325
* Grellmann, W., Seidler, S., Langer, B.: J-Integral-Analyse von Kurzfaser-Verbundwerkstoffen. "Werkstoffprüfung 1993", Bad Nauheim 2. und 3. Dezember 1993 Tagungsband S. 317‒325
* Grellmann, W., Seidler, S., Jung, K.: Stand und Entwicklungstendenzen bei der Anwendung des Risswiderstandskonzeptes in der Kunststoffprüfung. Werkstoffprüfung 1994, Bad-Nauheim, 1. und 2. Dezember 1994, Tagungsband S. 273‒281
* Grellmann, W., Seidler, S., Jung, K.: Stand und Entwicklungstendenzen bei der Anwendung des Risswiderstandskonzeptes in der Kunststoffprüfung. Werkstoffprüfung 1994, Bad-Nauheim, 1. und 2. Dezember 1994, Tagungsband S. 273‒281
* Seidler, S., Grellmann, W.: Application of the Instrumented Impact test to the Toughness Characterization of High Impact Thermoplastics. Impact and Dynamic Fracture of Polymers and Composites, ESIS Publication 19 (Edited by J. G. Williams and A. Pavan), Mechanical Engineering Publications, London, 1995 pp. 171‒178
 
* Seidler, S., Grellmann, W.: Application of the instrumented impact test to the toughness characterization of high impact thermoplastics. Impact and Dynamic Fracture of Polymers and Composites, ESIS Publication 19 (Edited by [[Williams, James Gordon|J. G. Williams]] and A. Pavan), Mechanical Engineering Publications, London, 1995 pp. 171‒178
 
* Seidler, S., Grellmann, W., Langer, B.: Anwendbarkeit des Risswiderstandskonzeptes zur Zähigkeitsbewertung von kurzfaserverstärktem Polyamid. 27. Vortragsveranstaltung, DVM Arbeitskreis "Bruchvorgänge" Köln, 14.-15. Februar 1995, Tagungsband S. 63‒72
* Seidler, S., Grellmann, W., Langer, B.: Anwendbarkeit des Risswiderstandskonzeptes zur Zähigkeitsbewertung von kurzfaserverstärktem Polyamid. 27. Vortragsveranstaltung, DVM Arbeitskreis "Bruchvorgänge" Köln, 14.-15. Februar 1995, Tagungsband S. 63‒72
* Seidler, S., Grellmann, W.: Application of the Instrumented Impact Test to the Toughness Characterization of High Impact Thermoplastics. Polymer Testing 14 (1995) 453‒469
 
* Grellmann, W.: Morphologie-Zähigkeits-Korrelation polymerer Mehrphasenwerkstoffe ‒ Aussagefähigkeit und strukturelle Empfindlichkeit bruchmechanischer Werkstoffkenngrößen. Tagung "Gefüge und Bruch", Leoben 20.-22.03.96, Tagungsband S. 1‒8
* Grellmann, W.: Morphologie-Zähigkeits-Korrelation polymerer Mehrphasenwerkstoffe ‒ Aussagefähigkeit und strukturelle Empfindlichkeit bruchmechanischer Werkstoffkenngrößen. Tagung "Gefüge und Bruch", Leoben 20.-22.03.96, Tagungsband S. 1‒8
* Grellmann, W., Seidler, S., Jung, K., Gahleitner, M., Fiebig, J.: Bruchverhalten und Morphologie von PP-Reaktorblends. Werkstoffwoche`96, Stuttgart 28‒31.05.96, Symposium 7 "Materialwissenschaftliche Grundlagen", Tagungsband S. 933‒938
* Grellmann, W., Seidler, S., Jung, K., Gahleitner, M., Fiebig, J.: Bruchverhalten und Morphologie von PP-Reaktorblends. Werkstoffwoche`96, Stuttgart 28‒31.05.96, Symposium 7 "Materialwissenschaftliche Grundlagen", Tagungsband S. 933‒938
* Seidler, S., Grellmann, W.: Fracture Behaviour and Morphology of Polymers. Ninth International Conference on Fracture, ICF 9 Sydney, April 1‒5, 1997, Proceedings Volume 2, pp. 1021‒1027
 
*Seidler, S., Grellmann, W.: Application of the Instrumented Impact Test to the Toughness Characterization of High Impact Thermoplastics. Polymer Testing 14 (1995) 453‒469 DOI: [https://doi.org/10.1016/0142-9418(95)00003-B https://doi.org/10.1016/0142-9418(95)00003-B]
* Seidler, S., Grellmann, W.: Fracture Behaviour and Morphology of Polymers. Ninth International Conference on Fracture, ICF 9 Sydney, April 1‒5, 1997, Proceedings Volume 2 pp. 1021‒1027
 
*Seidler, S., Grellmann, W.: Application of the instrumented impact test to the toughness characterization of high impact thermoplastics. Polymer Testing 14 (1995) 453‒469; [https://doi.org/10.1016/0142-9418(95)00003-B https://doi.org/10.1016/0142-9418(95)00003-B]
 
[[Kategorie:Bruchmechanik]]
[[Kategorie:Bruchmechanik]]

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Erkenntnisniveauebenen der Bruchmechanik
Informationsgehalt bruchmechanischer Werkstoffkenngrößen

Allgemeines

Bei der Anwendung bruchmechanischer Arbeitsmethoden (siehe: Bruchmechanik und Bruchmechanische Prüfung) auf Kunststoffe können

  • einerseits eine Reihe grundlegender methodischer Erkenntnisse und experimenteller Verfahren übernommen werden, die bei der Bewertung der Zähigkeit metallischer Werkstoffe gewonnen wurden und
  • andererseits müssen die ausgeprägten Zeit- und Temperaturabhängigkeiten von Werkstoffen mit polymerer Matrix zu kunststoffspezifischen methodischen Weiterentwicklungen führen (siehe z. B.: Zähigkeit Temperaturabhängigkeit) [1, 2]

Erkenntnisniveauebenen der Bruchmechanik

Die bruchmechanischen Werkstoffkenngrößen oder Risszähigkeitskenngrößen kann man unter methodischen Gesichtspunkten in drei Erkenntnisniveauebenen einteilen [3‒5]:

  1. Risszähigkeiten als Widerstand gegen instabile Risseinleitung
  2. Risszähigkeit als Widerstand gegen stabile Risseinleitung und Rissausbreitung
  3. Risszähigkeit als Widerstand gegenüber der Änderungsgeschwindigkeit von Beanspruchungsgrößen

Risszähigkeiten als Widerstand gegenüber Risseinleitung

In der Erkenntnisniveauebene I sind alle bruchmechanischen Werkstoffkenngrößen eingeordnet, die eine Bestimmung von Risszähigkeiten als Widerstand gegenüber instabiler Risseinleitung ermöglichen (siehe Tabelle 1).
In der Spalte 1 ist das jeweilige Bruchmechanik-Konzept, nach dem die Betrachtung des Werkstoffverhaltens erfolgt, aufgeführt. In der zweiten Spalte wurden die wesentlichen bruchmechanischen Kenngrößen zur Charakterisierung des rissspitzennahen Spannungs- und Verformungsfeldes aufgeführt und in den letzten beiden Spalten werden das jeweilige Rissbruchkriterium (siehe: Bruchsicherheitskriterium) genannt und die Aussagefähigkeit der Werkstoffkenngrößen beschrieben.

Das Konzept der linear-elastischen Bruchmechanik (LEBM), die LEBM mit Kleinbereichsfließen und das Äquivalentenergiekonzept ermöglichen eine quantitative Erfassung des Versagens auf der Basis kraft- bzw. spannungsdeterminierter Bruchzähigkeiten, da in die Bestimmungsgleichungen nur die Kraft- bzw. Spannungsmesswerte eingehen. Somit lassen sich auf Grund der Aussagemöglichkeiten die LEBM mit Kleinbereichsfließen und das Äquivalentenergiekonzept analog zur LEBM einordnen.


Tabelle 1: Erkenntnisniveauebene I – Bruchmechanische Werkstoffkenngrößen als Widerstand gegenüber instabiler Risseinleitung

Bruchmechanik-Konzept Kenngrößen zur Charakterisierung des Rissspitzennahen Spannungs- und Verformungsfeldes Rissbruchkriterium Aussagegehalt der Werkstoffkenngrößen
Risszähigkeit als Widerstand gegenüber instabiler Risseinleitung
Linear-Elastische Bruchmechanik (LEBM) Spanungsintensitätsfaktoren statische Risseinleitung kraft- bzw. spannungsdeterminierte
LEBM

LEBM mit Kleinbereichsfließen

Äquivalentenergiekonzept





kritische Werte:
dynamische Risseinleitung Bruchzähigkeit (Risszähigkeit)
Mode I, II, III:

 
Fließbruchmechanik (FBM)  
 
CTOD-Konzept Rissöffnungsverschiebung

Mode I, II, III, Mixed Mode

verformungsdeterminierte kritische Rissöffnungsverschiebung
 
J-Integral-Konzept J-Integral

Mode I, II, III, Mixed Mode

energiedeterminiertes J-Integral

Die nach dem Crack Tip Opening Displacement (CTOD)-Konzept der Fließbruchmechanik (FBM) ermittelten Kenngrößen der Rissöffnungsverschiebung δIc, δId bei statischer bzw. dynamischer Beanspruchung erweisen sich als verformungsdeterminierte bruchmechanische Werkstoffkenngrößen, da bei ihrer Berechnung ausschließlich nur Verformungswerte (Kerbaufweitung, Rissöffnung und maximale Durchbiegung) Berücksichtigung finden.
Im Zusammenhang mit der Prüfung von Verbundwerkstoffen, d. h. der Zähigkeitsbewertung von Faserverbundwerkstoffen aber auch Klebverbindungen haben die experimentellen Methoden und Auswerteformalismen zur Mode II -, Mode III- und Mixed-Mode-Beanspruchung (siehe: Bruchmoden und Rissöffnungsmoden) eine zunehmende Bedeutung erhalten.

Während das CTOD-Konzept verformungsdeterminiert und das LEBM-Konzept bruchkraftdeterminiert ist, ermöglicht das J-Integral-Konzept eine energetische Interpretation des Bruchverhaltens, da hier sowohl Kraft- als auch Verformungsmesswerte Berücksichtigung finden. Damit nimmt das J-Integral-Konzept eine zentrale Stellung bei der Bewertung des Bruchverhaltens ein.

Risszähigkeiten als Widerstand gegenüber stabiler Risseinleitung und -ausbreitung

Bei der Anwendung des J-Integral-Konzeptes zur Ermittlung bruchmechanischer Werkstoffkenngrößen ist zu beachten, dass in den meisten Fällen der mechanischen Beanspruchung der resultierende Bruch durch eine stabile Rissausbreitung eingeleitet wird. Die Bewertung der Risszähigkeit als Widerstand gegenüber stabiler Risseinleitung und -ausbreitung (siehe Tabelle 2) erfolgt auf der Basis des Risswiderstands (R)-Konzeptes.

Tabelle 2: Erkenntnisniveauebene II – Bruchmechanische Werkstoffkenngrößen als Widerstand gegenüber stabiler Risseinleitung und -ausbreitung

Bruchmechanik-Konzept Kenngrößen zur Charakterisierung des Rissspitzennahen Spannungs- und Verformungsfeldes Rissbruchkriterium Aussagegehalt der Werkstoffkenngrößen
 
Risswiderstands-(R)-Konzept Risseinleitung Rissausbreitung verallgemeinertes
Risswachstum
Risseinleitung  
 
-gesteuertes stabiles Risswachstum
CTOD-Widerstandskurve
  Rissausbreitung
J-R-Kurve
 
J-T-Stabilitätsdiagramm Instabilitätskennwert Instabilität durch fortschreitende Rissausbreitung energiedeterminierte plastische Instabilität

Zur Konstruktion von Risswiderstands(R)-Kurven werden als Beanspruchungsparameter die Rissöffnung δ und der J-Integralwert gegenüber dem Spannungsintensitätsfaktor KI des LEBM-Konzeptes bevorzugt.
Der Widerstand gegenüber der tatsächlichen Risseinleitung wird mit Jiphys bzw. δiphys und der Widerstand gegenüber stabiler Rissausbreitung mit Tδ bzw. TJ bezeichnet, die den Anstieg der R-Kurve multipliziert mit E/Re bzw. E/Re2 darstellen.
Will und Michel [6, 7] haben ausgehend von der Energiebilanz am Riss ein praktikables Modell zur Bewertung des stabilen Risswachstums eingeführt (siehe: JTJ-Konzept).

Danach tritt stabiles Risswachstum dann auf, wenn die in der plastischen Zone materialspezifisch dissipierte Energie den Überschuss an verfügbarer Energie hervorgerufen durch den Risszuwachs kompensiert.

Das Risswachstum wird danach durch das Produkt J · TJ bzw. δ · Tδ gesteuert und wird als JTJ- oder δTδ-gesteuertes stabiles Risswachstum bezeichnet. An Hand von zahlreichen Beispielen an Modellsystemen wird der experimentelle Nachweis für die Existenz des JTJ-gesteuerten Risswachstums in der Literatur [3‒5] geführt.

Als ein weiteres zähbruchmechanisches Kriterium wurde von Paris und Johnson [8] der Instabilitätskennwert J50 eingeführt. Zu seiner experimentellen Bestimmung wird ein graphisches Verfahren [9] angewendet, mit dem J-Δa- in J-T-Stabilitätsdiagramme transformiert werden.

Mittels derartiger Diagramme sind Aussagen zur Wachstumsinstabilität von Rissen in Bauteilen möglich, ohne das Verfahren zur Bestimmung von Risszähigkeiten als Widerstand gegenüber instabiler Rissausbreitung anzuwenden.

Risszähigkeiten als Widerstand gegenüber der Änderungsgeschwindigkeit von Kenngrößen

Für die der Bestimmung von Risszähigkeiten als Widerstand gegenüber der Änderungsgeschwindigkeit von Kenngrößen auf der Grundlage der Erkenntnisniveauebene III, liegen einerseits nur begrenzt experimentelle Ergebnisse vor, andererseits sind hier entscheidende Fortschritte bei einer werkstoffbezogenen Zähigkeitsbewertung zu erwarten [10‒13] (siehe Tabelle 3).

Tabelle 3: Erkenntnisniveauebene III – Bruchmechanische Werkstoffkenngrößen als Widerstand gegenüber der Änderungsgeschwindigkeit von Kenngrößen durch Berücksichtigung der zeitlichen Änderung der Verformungsenergie

Bruchmechanik-Konzept Kenngrößen zur Charakterisierung des rissspitzennahen Spannungs- und Verformungsfeldes Rissbruchkriterium Aussagegehalt der Werkstoffkenngrößen
Risszähigkeit als Widerstand gegenüber der Änderungsgeschwindigkeit von Kenngrößen
Berücksichtigung der zeitlichen Änderung der Verformungsenergie
Modifiziertes CTOD- und J-Konzept
t B – Bruchzeit



- bzw. -kontrolliertes Risswachstum

(energiegeschwindigkeitsdeterminierte plastische Instabilität)
-Konzept



Die Beanspruchungsgeschwindigkeit (siehe: Prüfgeschwindigkeit) übt bekanntermaßen einen sehr großen Einfluss auf das Bruchverhalten polymerer Werkstoffe aus, wobei bei der Durchführung bruchmechanischer Untersuchungen meistens die Traversengeschwindigkeit der Materialprüfmaschine, die Auftreffgeschwindigkeit eines Pendel- oder Fallhammers oder die Auftreffgeschwindigkeit von Projektilen bei den Arrestversuchen angegeben werden. Die Angaben zu den eingeprägten Geschwindigkeiten sind jedoch nicht vergleichbar, da unterschiedliche Prüfkörpertypen eine unterschiedliche Umsetzung der Lastangriffspunktverschiebung in die Deformation des Rissspitzenbereiches hervorrufen (siehe auch: Bruchprozesszone).
Als Maß für die Beschreibung der Zähigkeit als Widerstand gegenüber der Änderungsgeschwindigkeit erscheint die Rissöffnungsverschiebungsgeschwindigkeit geeignet, da sie eine vergleichbare, den Einfluss unterschiedlicher Prüfkörpergeometrien kompensierende Kenngröße darstellt. Analog zu dieser Beschreibung des Risswachstums kann für das J-Integral und das R-Kurven-Konzept und auch für das LEBM-Konzept die zeitliche Änderung der Beanspruchungsgröße zur Werkstoffbeurteilung herangezogen werden. Die Kenngröße J ist damit als Energiegeschwindigkeitsänderung aufzufassen und man spricht von J-kontrolliertem Risswachstum.

Einschätzung des Entwicklungsstandes der bruchmechanischen Kennwertermittlung und der Automatisierung der Erfassung des stabilen Risswachstums

Mit der Einteilung der bruchmechanischen Werkstoffkenngrößen erhöht sich beim Übergang in die nächst höhere Erkenntnisniveauebene der theoretische Anspruch bzgl. der Kenntnisse der bruchmechanischen Konzepte, der Schwierigkeitsgrad in der experimentellen Methodik und auch der Aufwand bei der Automatisierung z. B. bei der Ermittlung der Länge des stabilen Risswachstums (Tabelle 4).

Tabelle 4: Entwicklungsstand bei der bruchmechanischen Werkstoffprüfung, Probleme bei der Kennwertermittlung und Zielstellungen

Kennwerte als Widerstand gegen Risseinleitung und -ausbreitung
Ebene I II III
Stand bei instabilem
Risswachstum
bei stabilem
Risswachstum
als Funktion der
Änderungsgeschwindigkeit
benötigter Aufwand zur Ermittlung der Kennwerte relativ gering,
leicht automatisierbar
relativ hoch,
bisher schwer automatisierbar
sehr hoch
aktuelle Verbreitung von Zähigkeitskennwerten weitgehende Verbreitung in der industriellen Praxis eingeschränkte Verbreitung auf spezialisierte Prüfanstalten und Wissensträger noch aktueller Forschungsgegenstand
Zielstellungen vollständig automatisierte Kennwertermittlung maschinelle Risslängenbestimmung Verbreitung in der Praxis, Erarbeitung von Auswertekonzepten, Normung
Informationsgehalt einparametrige Beschreibung des Bruchverhaltens mehrnparametrige Beschreibung des Bruchverhaltens umfassende Bewertung der Rissausbreitungskinetik

Siehe auch

Literaturhinweise

[1] Blumenauer, H., Pusch, G.: Technische Bruchmechanik. Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie, Leipzig Stuttgart (2003), 3. Auflage (ISBN 3-342-00659-5; siehe AMK-Büchersammlung unter E 29-3)
[2] Anderson, T. L.: Fracture Mechanics ‒ Fundamental and Applications. CRC Press, Boca Raton (2005) (ISBN 978-0849342608; siehe AMK-Büchersammlung unter E 8-2); https://doi.org/10.1201/9781315370293
[3] Grellmann, W., Seidler, S.: Anwendung des instrumentierten Kerbschlagbiegeversuches in der Werkstoffentwicklung von Kunststoffen. DVM-Tagung „Werkstoffprüfung 1990“, 6. und 7.12.1990, Bad Nauheim Tagungsband S. 79‒88
[4] Grellmann, W.: Aussagefähigkeit bruchmechanischer Werkstoffkenngrößen bei der Werkstoffentwicklung von Polymerblends. Tagungsband 3. Erlanger Kunststoff-Tage, Erlangen 21.‒23.4.1993, Neue polymere Werkstoffe, Zahradnik, F. und Kaschta, J. (Hrsg.), Selbstverlag 1993, Erlangen, Tagungsband S. 175‒195
[5] Grellmann, W.: Neue Entwicklungen bei der bruchmechanischen Zähigkeitsbewertung von Kunststoffen und Verbunden. In: Grellmann, W., Seidler, S. (Hrsg.): Deformation und Bruchverhalten von Kunststoffen. Springer Berlin Heidelberg (1998) S. 3‒26 (ISBN 3-540-63671-4, siehe AMK-Büchersammlung unter A 6); https://doi.org/10.1007/978-3-642-58766-5_1
[6] Will, P.; Michel. B., Zerbst, U.: JTJ-gesteuertes Risswachstum und die Energiebilanz am duktilen Riss. Technische Mechanik 7 (1986) S. 58‒60
[7] Will, P.: JTJ-Konzept und dissipative Energien am Riss. In: Grellmann, W., Seidler, S. (Hrsg.) Deformation und Bruchverhalten von Kunststoffen. Springer Berlin Heidelberg (1998) S. 27‒34 (ISBN 3-540-63671-4; siehe AMK-Büchersammlung unter A 6)
[8] Paris P. C., Johnson R. E.: Fracture Resistance Curves and Engineering Applications. ASTM STP 803 Vol II: 5 (1983)
[9] Lach, R., Grellmann, W.: J-TJ- und δ-Tδ -Stabilitätsdiagramme als Grundlage einer alternativen Methode zur Ermittlung von Instabilitätswerten aus Risswiderstandskurven. In: Grellmann, W., Seidler, S. (Hrsg.) Deformation und Bruchverhalten von Kunststoffen. Springer Berlin Heidelberg (1998) S. 145‒154 (ISBN 3-540-63671-4; siehe AMK-Büchersammlung unter A 6); https://doi.org/10.1007/978-3-642-58766-5_11
[10] Seidler, S. (1998): Anwendung des Risswiderstandskonzeptes zur Ermittlung strukturbezogener bruchmechanischer Werkstoffkenngrößen bei dynamischer Beanspruchung. Fortschritt-Berichte, VDI-Reihe 18: Mechanik/Bruchmechanik Nr. 231, VDI-Verlag Düsseldorf (ISBN 3-18-323118-2; siehe AMK-Büchersammlung unter B 2-1)
[11] Lach, R., Grellmann, W.: Time-dependent fracture behaviour of polymers at impact and quasi-static loading conditions. In: Grellmann, W., Langer, B. (Eds.): Deformation and Fracture Behaviour of Polymer Materials. Springer-Verlag, Berlin (2017) S. 3‒21 (ISBN 978-3-319-41877-3; siehe AMK-Büchersammlung unter A 19); https://doi.org/10.1007/978-3-319-41879-7_1
[12] Lach, R., Seidler, S., Grellmann, W.: Resistance against the intrinsic rate of fracture mechanics parameters for polymeric materials under moderate impact loading. Mechanics of Time-Dependent Materials 9 (2005) S. 103‒119; https://doi.org/10.1007/s11043-005-1084-y
[13] Lach, R., Grellmann, W.: Time- and temperature-dependent fracture mechanics of polymers: General aspects at monotonic quasistatic and impact loading conditions. Macromolecular Materials and Engineering 273 (2008) S. 555‒567; https://doi.org/10.1002/mame.200700417

Zusatzliteratur zur Bewertung der Zähigkeit von Kunststoffen mit dem JTJ-Konzept

  • Grellmann, W., Seidler, S.: Risszähigkeit von Kunststoff-Messungen bei dynamischer Beanspruchung. Materialprüfung 33 (1991) 7–8 S. 213–218
  • Grellmann, W., Seidler, S., Oberbach, K.: Ermittlung dynamischer Risswiderstandskurven von Polymerblendes mit Hilfe des instrumentierten Kerbschlagbiegeversuches, 23. Vortragsveranstaltung, DVM‑Arbeitskreis "Bruchvorgänge", Berlin, 26.‒ 27.2.1991, Tagungsband S. 401‒412
  • Seidler, S., Grellmann, W.: Bruchverhalten und Morphologie von PC/ABS Blends ‒ Anwendung moderner Konzepte der Fließbruchmechanik zur Optimierung der Zähigkeit. 2. Erlanger Kunststoff‑Tage, Erlangen, 17.‒19.4.1991, Werkstoffcharakterisierung und Qualitätssicherung, Zahradnik, F., Kaschta, J. (Hrsg.), Selbstverlag (1991), Erlangen, S. 125‒145
  • Grellmann, W., Seidler, S., Oberbach, K.: Dynamische Risswiderstandskurven von Polymerblends. 14. Gesa‑Symposium "Experimentelle Mechanik in Forschung und Praxis", Berlin, 25.‒ 26.4.1991, VDI‑Berichte Nr. 882 (1991) S. 433‒443
  • Seidler, S., Grellmann, W.: Charakterisierung des Risswiderstandsverhaltens von Kunststoffen mit dem JTJ-Konzept. "Werkstoffprüfung 1992", Bad-Nauheim, 3. und 4. Dezember 1992, Tagungsband S. 387‒393
  • Seidler, S., Grellmann, W.: Anwendung bruchmechanischer Werkstoffkenngrößen in der Kunststoffentwicklung. Plaste und Kautschuk 40 (1993) H. 8., S. 263‒269 Download als pdf
  • Grellmann, W., Seidler, S., Langer, B.: J-Integral-Analyse von Kurzfaser-Verbundwerkstoffen. "Werkstoffprüfung 1993", Bad Nauheim 2. und 3. Dezember 1993 Tagungsband S. 317‒325
  • Grellmann, W., Seidler, S., Jung, K.: Stand und Entwicklungstendenzen bei der Anwendung des Risswiderstandskonzeptes in der Kunststoffprüfung. Werkstoffprüfung 1994, Bad-Nauheim, 1. und 2. Dezember 1994, Tagungsband S. 273‒281
  • Seidler, S., Grellmann, W.: Application of the instrumented impact test to the toughness characterization of high impact thermoplastics. Impact and Dynamic Fracture of Polymers and Composites, ESIS Publication 19 (Edited by J. G. Williams and A. Pavan), Mechanical Engineering Publications, London, 1995 pp. 171‒178
  • Seidler, S., Grellmann, W., Langer, B.: Anwendbarkeit des Risswiderstandskonzeptes zur Zähigkeitsbewertung von kurzfaserverstärktem Polyamid. 27. Vortragsveranstaltung, DVM Arbeitskreis "Bruchvorgänge" Köln, 14.-15. Februar 1995, Tagungsband S. 63‒72
  • Grellmann, W.: Morphologie-Zähigkeits-Korrelation polymerer Mehrphasenwerkstoffe ‒ Aussagefähigkeit und strukturelle Empfindlichkeit bruchmechanischer Werkstoffkenngrößen. Tagung "Gefüge und Bruch", Leoben 20.-22.03.96, Tagungsband S. 1‒8
  • Grellmann, W., Seidler, S., Jung, K., Gahleitner, M., Fiebig, J.: Bruchverhalten und Morphologie von PP-Reaktorblends. Werkstoffwoche`96, Stuttgart 28‒31.05.96, Symposium 7 "Materialwissenschaftliche Grundlagen", Tagungsband S. 933‒938
  • Seidler, S., Grellmann, W.: Fracture Behaviour and Morphology of Polymers. Ninth International Conference on Fracture, ICF 9 Sydney, April 1‒5, 1997, Proceedings Volume 2 pp. 1021‒1027