DD255403A1

DD255403A1 - Verfahren zur ermittlung von korrigierten risswiderstandskurven duktiler werkstoffe

Info

Publication number: DD255403A1
Application number: DD29823186A
Authority: DD
Inventors: Peter Will; Uwe Zerbst
Original assignee: Akad Wissenschaften Ddr
Priority date: 1986-12-23
Filing date: 1986-12-23
Publication date: 1988-03-30

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung von korrigierten Risswiderstandskurven duktiler Werkstoffe, wobei unter Verwendung angerissener Pruefkoerper nach einem bekannten Einkurvenverfahren der jeweilige Wert des J-Integrals aus der beim Werkstoffpruefvorgang im Pruefkoerper verbrauchten Energie bestimmt wird. Die Erfindung ist anwendbar in den Faellen, wo dissipative Energieanteile infolge von Risswachstum waehrend der Werkstoffpruefung die aus der absorbierten Energie ermittelten bruchmechanischen J-Integralwerte verfaelschen koennen. Das erfindungsgemaesse Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass zunaechst die quadrierte Risswiderstandskurve ermittelt, sodann im Punkt des Quadrats des kritischen J-Integralwertes die Tangente an die quadrierte Risswiderstandskurve bestimmt wird und anschliessend die korrigierte Risswiderstandskurve durch Radizieren der Tangente gefunden wird.

Description

Hierzu 2 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung von korrigierten Rißwiderstandskurven duktiler Werkstoffe, wobei unter Verwendung angerissener Prüfkörper nach einem bekannten Einkurvenverfahren der jeweilige Wert des J-Integrals aus der beim Werkstoffprüfvorgang im Prüfkörper verbrauchten Energie bestimmt wird, und der Schnittpunkt der Rißwiderstandskurve mit der Rißabstumpfungsgeraden den kritischen J-Integralwert J|_C definiert.

Insbesondere ist die Erfindung anwendbar in den Fällen, wo dissipative Energieanteile infolge von Rißwachstum während der Werkstoffprüfung die aus der absorbierten Energie ermittelten bruchmechanischen J-Integralwerte verfälschen können.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Es ist bekannt, zur Charakterisierung des Werkstoffwiderstandes gegen das Wachstum von Rissen in Bauteilen aus duktilen Materialien Rißwiderstandskurven zu verwenden.

Diese beschreiben die Änderung der Bruchkenngröße J-Integral mit wachsender Rißlänge, wobei das J-Integral ein Maß für den Umsatz an potentieller Energie an der Rißspitze infolge der Verlängerung des Risses ist. Übersteigt diese Bruchkenngröße einen materialspezifischen kritischen Wert J_!C, so verlängert sich der Riß.

Experimentell werden die verschiedenen Werte des J-Integrals nach der sogenannten Pseudocompliance-Methode ermittelt.

Dazu werden für mehrere identische Prüfkörper mit verschiedenen Rißlängen die Flächen unter den Last-Lastangriffspunktverschiebungs-Kurven gegen die entsprechenden Rißlängen aufgetragen. Die negative Steigung dieser Kurve für eine bestimmte Rißlänge, geteilt durch die Dicke des ebenen Prüfkörpers, ergibt den jeweiligen J-Integralwert (s. K.-H.

Schwalbe „Bruchmechanik metallischer Werkstoffe", C. Hanser-Verlag 1980, S.310-311, und H. Blumenauer, G. Pusch „Technische Bruchmechanik", Dt. Verlag für Grundstoffindustrie 1981, S. 119-120).

Dieses bekannte Verfahren liefert zwar weitgehend genaue Werte des J-Integrals zur Bestimmung der Rißwiderstandskurve.

Nachteilig ist jedoch, daß zur Ermittlung eines einzigen J-Integralwertes mehrere Versuchsdurchführungen, d. h. mehrere Prüfkörper erforderlich sind.

Zur Vermeidung dieses Nachteils ist es bereits bekannt, sogenannte Einkurvenverfahren zu verwenden. Dabei wird jeweils ein J-Integralwert näherungsweise aus einer einzigen Last-Verschiebungskurve bestimmt (vergl. Schwalbe, a.a. O, S. 312 ff, Blumenauer, a.a.O, S. 120/121).

Diese Einkurvenverfahren vernachlässigen jedoch dissipative Energieanteile infolge Rißwachstums während des Prüfvorganges, welche nicht für die eigentliche Erweiterung des Rißes zur Verfügung stehen. Als Folge davon ergeben sich insbesondere für große Werte des Rißlängenzuwachses J-Integralwerte, die die Rißzähigkeit duktiler Werkstoffe und somit die Festigkeit von Bauteilenteilweise beträchtlich überschätzen.

Im US-Standard ASTM E 813-81 zur Ermittlung des kritischen J-Integralwertes Jic für das Rißwachstum wird ein Korrekturverfahren beschrieben, um die genannten Fehler zu reduzieren. Dieses Verfahren ist jedoch aufwendig und kaum praktikabel sowie für nichtinstrumentierte Prüfverfahren nicht geeignet.

Bei eigenen Untersuchungen wurde gefunden, daß die oben genannten dissipativen Energieanteile dem Produkt aus J-Integral und Reißmodul proportional sind. Diese dissipativen Energieanteile werden bei stabilem Rißwachstum einer materialspezifischen Energie gleichgesetzt, die die überschüssige Energie während des Rißwachstumsprozesses kompensiert.

Daraus läßt sich ableiten, daß das Quadrat der zur Trennung des Werkstoffes verbrauchten Energie pro Rißverlängerung in Abhängigkeit vom Rißlängenzuwachs ein lineares Verhalten zeigt.

Ziel der Erfindung

Es ist Ziel der Erfindung, ein Verfahren zur Ermittlung von Rißwiderstandskurven nach einem Einkurvenverfahren anzugeben, wobei unter Berücksichtigung vorstehender Erkenntnis weitgehend genaue J-Integralwerte anhand einfacher und praktischer Verfahrensschritte bestimmbar sind.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Ermittlung von korrigierten Rißwiderstandskurven duktiler Werkstoffe, wobei unter Verwendung angerissener Prüfkörper nach einem bekannten Einkurvenverfahren der jeweilige Wert des J-Integrals aus der beim Werkstoffprüfvorgang im Prüfkörper verbrauchten Energie bestimmt wird, und der Schnittpunkt der Rißwideistandskurve mit der Rißabstumpfungsgeraden den kritischen J-Integralwert J_!C definiert, zu schaffen, wobei dissipative Energieanteile infolge Rißwachstums während des Prüfyorgangs mit guter Näherung berücksichtigt werden. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß zunächst punktweise die quadrierte Rißwiderstandskurve ermittelt, sodann im Punkt des Quadrates des kritischen J-Integralwertes die Tangente an die quadrierte Rißwiderstandskurve bestimmt wird und anschließend die korrigierte Rißwiderstandskurve durch Radizieren der Tangente bestimmbar ist. In den Fällen, in denen sich am quadrierten Punkt des kritischen J-Integralwertes eine Tangente mit keiner oder negativer Steigung ergeben würde, ist es zweckmäßig, daß die Tangente durch eine Ausgleichgerade (mit positiver Steigung) ersetzt wird, welche an Meßwerte im Bereich oberhalb des kritischen J-Integralwertes angepaßt wird.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung wird nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. In der dazugehörigen Zeichnung zeigen:

Fig. 1: eine konventionell ermittelte und eine nach dem erfindungsgemäßen Verfahren korrigierte Rißwiderstandskurve, Fig. 2: die quadrierte Rißwiderstandskurve und eine im kritischen Punkt angelegte Tangente.

Die in Fig. 1 dargestellte, konventionell ermittelte Rißwiderstandskurve J wurde aus den Daten eines instrumentierten Kerbschlagbiegeversuches gewonnen. Dazu wurde an einseitig angerissenen, identischen 3-Punktbiegeproben die Fläche A unter der Last-Lastangriffspunktverschiebungskurve für verschiedene Hammerenergien ermittelt sowie die zugehörige Rißverlängerung ^a, gemittelt über die Dicke B des Prüfkörpers, gemessen. Der jeweilige Wert des J-Integrals ergibt sich (vergl. Blumenauer, a.a.O. S. 120-121) aus der Beziehung

J = 2A

B(W-a₀) - (1)

Die Größe W - a_o entspricht der Restligamentbreite des Prüfkörpersmit der Ausgangsrißlänge a₀.

Entsprechend Beziehung (1) gemessene/berechnete Werte für das jeweilige J-Integral sind aus Fig. 1 ersichtlich (Beispiel: Stahl HS 60-3 Ni bei 0 C). Gleichfalls ersichtlich ist der Schnittpunkt S der Rißwiderstandskurve J mit der Rißabstumpfungsgeraden RAG, welche eine Pseudorißverlängerung infolge plastischer Verformung der Rißspitze bis zum kritischen J-Integralwert J|_C der echten Rißverlängerung am Punkt a_c beschreibt.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Ermittlung einer korrigierten Rißwiderstandskurve wird nun so durchgeführt, daß in einem ersten Verfahrensschritt die Rißwiderstandskurve J punktweise quadriert wird, so daß die entsprechende quadratische Kurve J² (Fig. 2) erhalten wird.

Diese Kurve J² hat in dem Schnittpunkt S entsprechenden Punkt S 1 im Normalfall eine positive Steigung. An diesem Punkt S 1 wird im zweiten Verfahrensschritt die Tangente T an die quadrierte Kurve J² bestimmt. Im folgenden Schritt wird diese Tangente T radiziert, so daß die korrigierte Rißwiderstandskurve J_korr ermittelt wird (s. Fig. 1).

Das heißt, für die korrigierte Rißwiderstandskurve Jk_Orr kann die Beziehung

Λογγ ^;

(J²,c + C_T^a )^1/! (2)

geschrieben werden (C_T = Steigung der Tangente T).

Sofern die Lage des Punktes S T aus Gründen der Meßgenauigkeit nur näherungsweise bekannt ist, wird die Tangente T durch eine Ausgleichsgerade A ersetzt (nicht gezeichnet), welche an Meßwerte im geschätzten Bereich oberhalb des Punktes S 1 nach bekannten Verfahren der Ausgleichsrechnung angepaßt wird.

Claims

1. Verfahren zur Ermittlung von korrigierten Rißwiderstandskurven duktiler Werkstoffe, wobei unter Verwendung angerissener Prüfkörper nach einem bekannten Einkurvenverfahren der jeweilige Wert des J-Integrals aus der beim Werkstoffprüfvorgang im Prüfkörper verbrauchten Energie bestimmt wird, und der Schnittpunkt der Rißwiderstandskurve mit der Rißabstumpfungsgeraden den kritischen J-Integralwert Jic definiert,

dadurch gekennzeichnet, daß zunächst punktweise die quadrierte Rißwiderstandskurve (J²) ermittelt, sodann im Punkt (J²ic) vom Quadrat des kritischen J-Integralwertes die Tangente (T) an die quadrierte Rißwiderstandskurve (J²) bestimmt wird und anschließend die korrigierte Rißwiderstandskurve Ukorr) durch Radizieren der Tangente (T) bestimmbar ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Tangente (T) durch eine Ausgleichsgerade (A) ersetzt wird, welche an Meßwerte im Bereich oberhalb des kritischen J-Integralwertes (J²ic) angepaßt wird. "