Crack Growth

Was ist Crack Growth?

Der Risswachstumstest misst, wie schnell der Riss in einer vorgerissenen Probe unter wiederholter Belastung wächst. Das Ergebnis wird als Beziehung zwischen Rissfortschritt pro Zyklus (da/dN) und dem Spannungsintensitätsfaktorbereich (ΔK) angegeben.

Zweck von Crack Growth

Ziel ist die Erstellung von Daten für eine schadenstolerante Auslegung und Restlebensdauerberechnung. Wenn in einer Struktur ein Riss gefunden wird, wird anhand dieser Daten berechnet, wie lange es dauern wird, bis eine kritische Größe erreicht ist. Die Inspektionsintervalle sind entsprechend festgelegt.

Bei welchen Produkten wird Crack Growth angewendet?

Strukturkomponenten für die Luft- und Raumfahrt
Druckbehälter und Rohrleitungen
Details zur Brücke und Stahlkonstruktion
Turbinen- und Rotorkomponenten
Schweißverbindungen

In welchen Branchen wird Crack Growth eingesetzt?

MetallAutomobilLuft- und RaumfahrtBauwesenMaschinenbauLuft- und RaumfahrtEnergie

Normen zu Crack Growth

ASTM E647 (Messung der Wachstumsraten von Ermüdungsrissen)
ISO 12108 (Metallische Werkstoffe — Ermüdungsrisswachstum)
ASTM E399 (Flachdehnungs-Bruchzähigkeit — verwandte Methode)
ASTM E1820 (elastisch-plastische Bruchzähigkeit — verwandte Methode)

Prüfbedingungen für Crack Growth

Probenart: Probe mit kompakter Spannung (CT) oder mittlerer Spannung (M(T)).
Vorriss: Wird durch kontrollierte Ermüdung vor dem Test eingeleitet
Spannungsverhältnis (R): Aus der Spezifikation; das Ergebnis hängt stark von R ab
Rissmessung: Optisches Tracking, potenzieller Abfall oder die Compliance-Methode

Prüfgerät für Crack Growth

Servohydraulisches Ermüdungsprüfsystem
CMOD-Messgerät (Crack Mouth Opening Displacement).
System zur Verfolgung potenzieller Tropfen oder optischer Risse
Hochauflösendes Datenerfassungssystem
Mikroskop zur Untersuchung von Bruchflächen

Probenanforderungen für Crack Growth

Probengeometrie und -dicke müssen den in der Norm definierten Verhältnissen entsprechen.
Kerbe und Vorriss müssen normgerecht hergestellt werden.
Die während der Vorrissbildung aufgebrachte Belastung darf die Prüflast nicht überschreiten.
Die Probenausrichtung (z. B. L-T, T-L) muss angegeben werden.
Um eine optische Verfolgung der Rissspitze zu ermöglichen, muss die Oberfläche vorbereitet werden.

Dauer von Crack Growth

Der Test ist langwierig, da das Wachstum im Bereich mit niedrigem ΔK sehr langsam ist; Eine Studie, die den Schwellenwertbereich abdeckt, kann Tage dauern. Die Dauer verkürzt sich, wenn nur der stabile Wachstumsbereich erforderlich ist.

Ablauf von Crack Growth

1Die Probe wird bearbeitet, gekerbt und vorgerissen.
2Die Probe wird in die Maschine montiert und das Rissmesssystem eingerichtet.
3Spannungsverhältnis und Anfangslastbereich werden eingestellt.
4Es wird eine zyklische Belastung angewendet; Die Risslänge wird kontinuierlich überwacht.
5Daten zum Risslängenzyklus werden aufgezeichnet.
6da/dN und ΔK werden berechnet und die Kurve erstellt.
7Zur Verifizierung der Messung wird die Bruchfläche untersucht.

Annahmekriterien für Crack Growth

Der Methodenstandard definiert, wie der Test durchgeführt wird, nicht wie das Ergebnis aussehen soll. Die Akzeptanzgrenze ergibt sich aus der Materialnorm, der Produktspezifikation oder der technischen Zeichnung des Kunden; Auf dieser Seite gibt es daher keine zahlenmäßige Begrenzung.

Auswertung der Ergebnisse

Das Ergebnis wird als da/dN-ΔK-Kurve im Log-Log-Maßstab angegeben. Der lineare mittlere Bereich der Kurve wird als Pariser Regime bezeichnet; Der Schwellenwertbereich und der instabile Wachstumsbereich werden getrennt interpretiert. Die Ergebnisse hängen vom Spannungsverhältnis ab und können nicht direkt über verschiedene R-Werte hinweg verglichen werden.

Prüfbericht zu Crack Growth

Probenidentifikation, Materialtyp und ggf. Guss-/Chargennummer
Probengeometrie, Abmessungen und Vorbereitungsmethode
Es gelten Standard- und Testbedingungen
Temperatur und Umgebungsbedingungen prüfen
Messwerte und berechnete Größen
Fotos von Bruchflächen oder Vertiefungen (falls zutreffend)
Messunsicherheit (falls gewünscht)
Eine Aussage, dass das Ergebnis nur für die zum Test eingereichte Probe gilt

Akkreditierung

EUROLAB verfügt über eine international anerkannte Akkreditierung, die von Akkreditierungsstellen erhalten wurde, die Vertragspartei der multilateralen Anerkennungsvereinbarungen IAF und ILAC sind, gemäß ISO/IEC 17025 für Labortests, ISO/IEC 17020 für Inspektion und Überwachung sowie ISO/IEC 17021-1 und ISO/IEC 17065 für System- und Produktzertifizierung. Diese Kette stellt sicher, dass die ausgestellten Berichte und Zertifikate weltweit akzeptiert werden.

Ob dieser Test im akkreditierten Rahmen angeboten werden kann, hängt von Ihrem Produkt und der angewandten Norm ab; Da die Akkreditierung methodenbasiert erfolgt, wird der Umfang bereits im Angebotsstadium schriftlich bestätigt.

Geltungsbereich und Berechtigungen

Mekanik Testler — Was umfasst dieser Prüfbereich?

Der folgende Abschnitt beschreibt das Gebiet, zu dem der Test Crack Growth gehört; die Bedingungen und Abnahmekriterien dieses konkreten Tests stehen in den obigen Abschnitten. Der für Ihr Produkt spezifische Umfang wird schriftlich im Angebotsstadium festgelegt.

Mechanische Prüfungen messen, wie sich ein Werkstoff oder ein Bauteil unter Krafteinwirkung verhält. Die Familie reicht von statischer Belastung (Zug, Druck, Biegung) über zeitabhängiges Verhalten (Ermüdung, Kriechen) bis zu Härte und Verschleiß sowie Bruchzähigkeit.

Das gemeinsame Merkmal dieser Prüfungen ist, dass das Ergebnis als WERKSTOFFEIGENSCHAFT ausgewiesen wird. Streckgrenze oder Härte sind keine Konformitätsentscheidung; sie sind Zahlenwerte, mit denen Konstruktion und Produktnorm verglichen werden. Mechanische Prüfberichte sind daher meist Eingangsgröße für eine technische Entscheidung und nicht für eine Produktzulassung — Werkstoffauswahl, Sicherheitsfaktor, Lebensdauervorhersage.

Die Unterscheidung zwischen statischem und dynamischem Verhalten ist der Schlüssel zum Verständnis des Bereichs. Ein Bauteil kann unter statischer Last völlig unbelastet erscheinen und dennoch unter wiederholter Belastung brechen; der Ermüdungsbruch tritt bei Spannungen weit unter der Streckgrenze auf und gibt keine Vorwarnung. Bei rotierenden, schwingenden oder zyklisch belasteten Bauteilen ist eine Zugprüfung allein daher kein ausreichender Nachweis.

Die Prüfbedingungen bestimmen das Ergebnis, und dies ist entscheidend für die Lesbarkeit des Berichts: Probengeometrie, Belastungsgeschwindigkeit, Temperatur, Konditionierung und Einspannanordnung. Derselbe Werkstoff liefert unter unterschiedlichen Bedingungen unterschiedliche Werte. Bei Kunststoffen ist der Geschwindigkeitseffekt sehr ausgeprägt, bei Metallen der Temperatureffekt; bei Verbundwerkstoffen verändert die Probenausrichtung das Ergebnis vollständig.

Härte ist die am häufigsten missbrauchte Messgröße in diesem Bereich. Da sie schnell, nahezu zerstörungsfrei und kostengünstig ist, wird sie oft anstelle der Festigkeit verwendet. Umrechnungstabellen von Härte zu Festigkeit existieren, sind aber NÄHERUNGSWEISE und hängen von der Werkstoffgruppe ab; sie als einziges Beweismittel bei der Werkstoffabnahme zu verwenden, ist falsch.

Der Bereich der Bruchmechanik erfordert eine besondere Kompetenz. Messungen der Bruchzähigkeit und der Ermüdungsrisswachstumsrate ermöglichen es zu berechnen, wie lange eine rissbehaftete Struktur hält; sie sind die Grundlage schadenstoleranter Auslegung in Bereichen wie Druckgeräten, Flugzeugstrukturen und Rohrleitungen.

Methodengruppen in diesem Bereich

Statische Prüfungen
Zug, Druck, Biegung, Scherung und Torsion. Streckgrenze und Zugfestigkeit, Dehnung und Elastizitätsmodul werden ermittelt.
Kerbschlagprüfungen
Charpy- und Izod-Kerbschlagbiegeversuch; das Sprödbruch-Zäh-Übergangsverhalten des Werkstoffs wird temperaturabhängig ermittelt.
Härte
Brinell, Vickers, Rockwell, Shore und Mikrohärte. Wertvoll für die Tiefe der Oberflächenbehandlung und lokale Festigkeitsunterschiede.
Ermüdung
Kraft- und dehnungsgesteuerte axiale Ermüdung, Biegeermüdung; Wöhlerkurven (S-N) und Dauerfestigkeitsgrenze.
Kriechen und Spannungsrelaxation
Verhalten unter Langzeitbelastung bei hoher Temperatur; entscheidend für Werkstoffe von Kesseln, Turbinen und Druckgeräten.
Bruchmechanik
Ebene-Dehnung-Bruchzähigkeit, J-Integral, CTOD und Ermüdungsrisswachstumsrate.
Verschleiß und Reibung
Taber- und Drehtrommel-Abrasion, Reibungskoeffizientenmessungen.

Häufig verwechselt in diesem Bereich

Die Berechnung der Festigkeit aus der Härte ist näherungsweise; sie kann nicht als alleiniger Nachweis bei der Werkstoffabnahme verwendet werden.
Ausreichende statische Festigkeit belegt nicht die Ermüdungsfestigkeit; ein zyklisch belastetes Bauteil erfordert eine gesonderte Prüfung.
Wird die Prüfgeschwindigkeit und -temperatur nicht angegeben, ist das Ergebnis nicht vergleichbar — insbesondere bei Polymeren und Verbundwerkstoffen.
Ein Prüfkörper und das tatsächliche Bauteil liefern möglicherweise nicht denselben Wert; Formfließrichtung, Bindenähte und Unterschiede in der Oberflächenbehandlung wirken sich alle aus.
Ein für einen Verbundwerkstoff angegebener Festigkeitswert ist ohne Angabe der Probenorientierung bedeutungslos.
Die ASTM- und ISO-Gegenstücke messen dieselbe Größe, verwenden aber unterschiedliche Probengeometrien; die Ergebnisse gelten nicht als direkt gleichwertig.

Welche Entscheidungen diese Ergebnisse unterstützen

Konstruktionsverifikation und Werkstoffauswahl
Wareneingangskontrolle und Lieferantenfreigabe
Erfüllung der mechanischen Anforderungen der Produktnorm
Fehleranalyse, Lebensdauervorhersage und Schadenstoleranzberechnung
Verifizierung von Wärmebehandlungs- und Oberflächenbehandlungsprozessen

Häufige Fragen zu Crack Growth

Gibt das Ergebnis direkt Leben?

Nein, es ist eine Eingabe für die Lebensdauerberechnung. Die Restlebensdauer wird durch Integration mit der Spannungsverteilung der Struktur und der anfänglichen Rissgröße berechnet.

Warum ist der Schwellenwert (ΔKth) wichtig?

Unterhalb dieses Wertes wird in der Praxis davon ausgegangen, dass der Riss nicht wächst. Der Schwellenwert ist entscheidend für die Festlegung des Inspektionsintervalls und der akzeptablen Fehlergröße.