Festigkeitsprüfung von keramischen Bauteilen

0. Vorwort

Die Prüftechnik erfüllt Aufgaben im Bereich der Werkstoffentwicklung, der Bauteilauslegung/-erprobung der Prozesskontrolle und der übergeordneten Qualitätssicherung. Dabei stehen ihre sowohl zerstörenden als auch zerstörungsfreien Verfahren zur Verfügung.

Die Entwicklung eines funktionsfähigen keramischen Bauteils ist eng verknüpft mit der genauen Kenntnis seiner mechanischen, thermischen und chemischen Eigenschaften. Die Bauteilauslegung muss daher einerseits auf gesicherten Werkstoffdaten basieren, darf aber andererseits auch den Einfluss von Geometrie, Beanspruchung und Herstellung nicht unbeachtet lassen, damit die Werkstoffeigenschaften optimal genutzt werden können.

Für die Zusammensetzung und Eigenschaften von Metallen, Metall-Legierungen und auch Kunststoffen bestehen heute schon umfangreiche Tabellen, Normen und Standards. Bei den keramischen Werkstoffen und insbesondere bei der Ingenieurkeramik steht eine systematische Aufbereitung erst am Anfang. Für die als Schwerpunkt ausgewählte Strukturkeramik steht die mechanische Zuverlässigkeit der Bauteil unter mechanischer, thermischer und chemischer Belastung im Vordergrund. Ausgehend von der Richtwerttabelle Ingenieurkeramik (Bild 1) wird deshalb die Beschreibung der keramiktypischen Kennwerte (durch gelbe Felder gekennzeichnet) der Vorzug gegeben. Mit ihnen wird die Berechenbarkeit von keramischen Bauteilen unter vereinfachten Annahmen ermöglicht.

Tabelle 1 Übersicht Kenngrößen

Darüber hinaus ist das Verschleiß und Korrosionsverhalten von großem Interesse. Ein Grundproblem besteht darin, dass die einzelnen Kennwerte oft noch an unterschiedlichen Proben (Form, Größe, Formgebung, Endbearbeitung etc.) ermittelt werden, d.h. die Kennwerte beschreiben nicht immer die gleiche Mikrostruktur.

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Das langfristige Ziel ist es, alle Kennwerte aus einer bauteilbezogenen Einheitsprobe zu

ermitteln. Weitere Zielvorstellungen bezüglich der Kennwertdokumentation sind in

einem Zieldatenblatt zusammengefasst. Damit kommt man der Übertragbarkeit von

Kennwerten ein gutes Stück näher.

Das Zieldatenblatt sollte enthalten:

- Spezifizierung Werkstoff/Name

Chemische Formel / Kristallmodifikation / Theoretische Dichte

- Mechanische Eigenschaften Dichte / Porosität / Gasdurchlässigkeit / Härte

Reibungswerte / Verschleißfestigkeit

Druckfestigkeit / Kontaktfestigkeit / Zugfestigkeit / Biegefestigkeit Weibull-Parameter Risszähigkeit / Risswachstumsparameter Elastizitätsmodul / Poissonkonstante

- Thermische Eigenschaften

Spezifische Wärme / Temperaturleitfähigkeit / Wärmeleitfähigkeit

Ausdehnungskoeffizienten / Thermoschockkoeffizienten Strahlungskoeffizienten / Max. Einsatztemperatur Oxid.

- Elektrische Eigenschaften

Spez. Widerstand / Dielektrizitätskonstante / Dielektrischer Verlust

- Spezielle Eigenschaften Oxidationsrate / Kriechrate

- Angaben zum Geltungsbereich Formgebungsverfahren / Bauteilgröße u. Form

Nachbearbeitungszustand / Prüfkörper und Bedingungen

- Abhängigkeit von Temperatur

- Abhängigkeit von Umgebung

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Bild 1 Richtwerte (Raumtemperatur) [1]

  Festigkeitsprüfung von keramischen Bauteilen  

Inhaltsverzeichnis

0.  Vorwort  2

1.  Mechanische Eigenschaften  6

1.1  Elastische Konstanten  6

1.2  Festigkeit  8

2.  Zerstörende Prüfverfahren  9

2.1  Der Zugversuch  9

2.2  Der Biegeversuch  11

2.3  Prüfung an Rohrabschnitten  14

2.3.1  Der Kreisringtest  15

2.3.2  Der C-Ring Test  16

2.4  Der Doppelring-Biegeversuch  17

3.  Zerstörungsfreie Prüfverfahren  18

3.1  Eindringprüfung  19

3.2  Ultraschallprüfung  20

3.2.1  Ultraschallmikroskopie (SLAM)  20

3.2.2  Ultraschallabbildungsverfahren  22

3.3  Photoakusitsche Methoden  25

3.4  Radiographische Verfahren  28

3.4.1  Mikrofokus-Röntgensprüfung  29

3.4.2  Computertomographie  31

4.  Größeneinfluss  34

5.  Bruchstatistik und Kurzzeitfestigkeit  37

5.1  Ermittlung der Weibull-Parameter  39

6.  Literaturverzeichnis  42

7.  Bildverzeichnis  44

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1. Mechanische Eigenschaften

1.1 Elastische Konstanten

Der Elastizitätsmodul stellt im Spannungs-Dehnungs-Diagramm im Hooke’schen Bereich den Proportionalitätsfaktor zwischen Normalspannung (σ) und Dehnung (ε) dar. Für die einachsige Zugbeanspruchung ergibt sich σ = E ε

Für die Schubspannung (τ) lautet das äquivalente Hooke’sche Gesetz τ = G γ

mit dem Gleitmodul G und der Gleichung γ. Zwischen E und G besteht der Zusammenhang E = G 2 ν + ) 1 (

mit der Querkontraktionszahl oder Poissonkonstante ν (Bild2)

Bild 2 Definition der Längs- und Querdehnung [2]

Die meisten keramischen Werkstoffe besitzen im Vergleich zu den metallischen Werkstoffen einen höheren E-Modul und eine kleinere Querkontraktionszahl. Die elastischen Eigenschaften von Keramiken sind eng verknüpft mit ihrer Gefügeausbildung, insbesondere mit der Porosität. Sie sind wichtige Einflussgrößen bei der Entstehung thermisch induzierter Spannungen, z.B. beim Thermoschock. Zur Ermittlung der elastischen Konstanten existieren statische (z.B. Zug- und Biegeversuch) und dynamische Methoden. [3]

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Da beim Biegeversuch neben Zug- auch Druckbeanspruchungen auftreten, ist die Gefahr von Fehlinterpretationen aufgrund möglicher unterschiedlicher

Elastizitätsmodulen im Zug- und Druckbereich gegeben. Bei den dynamischen Methoden wird in der Regel der Zusammenhang von Eigenfrequenzen, Geometrie, Dichte und elastischen Konstanten einer in Schwingungen versetzten Probe ausgenutzt (Resonanzfrequenzmethode). Man geht ebenfalls von identischen E-Modulen auf Zug- und Druckseite aus. Für einfache Probengeometrien, z.B. prismatische Stäbe, lassen sich aus den ermittelten Frequenzen der ersten Biege- und Torsionseigenformen für die freie Schwingung E-Modul, G-Modul und Querkontraktion relativ einfach berechnen. Die Schwierigkeit liegt bei der eindeutigen Erfassung dieser beiden Schwingungssignale, insbesondere bei hohen Temperaturen. Unten (Bild 3) ist schematisch der Versuchsaufbau für eine Impulsanregung und akustische Messwerterfassung dargestellt. Neben der Resonanzmethode existieren noch Ultraschall-Verfahren, die über die Ermittlung der Schallaufzeit auf die elastischen Konstanten schließen lässt. Darauf wird weiter im Kapitel zerstörungsfrei Prüfverfahren eingegangen.

Bild 3 Dynamische Ermittlung der elastischen Konstanten (schematisch) [3]

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1.2 Festigkeit

Grundsätzlich sei vorangestellt, dass sich die Festigkeitsprüfung an Proben nicht von Bauteilbelastungen unterscheiden. Jede Belastungsart muss letztendlich reproduzierbar und berechenbar sein. Zugbelastung, Biegebelastung, Berstbelastung u.a. existieren gleichberechtigt, aber sie liefern bezüglich Fehlererfassung und Bauteilähnlichkeit unterschiedliche Ergebnisse.

Die Resultate von Festigkeitsversuchen hängen dabei ab von:

- der Probenherstellung und Bearbeitung wie z.B. Dichte, Korngrößen- und Porenverteilung, Anisotropie, Herstellungsfehler, Oberflächen-und

Kantenbearbeitung, Eigenspannungen;

- der Probengeometrie und Beanspruchung wie z.B. Probenvolumen, Lasteinleitung, Mehrachsigkeit;

- den Versuchbedingungen wie z.B. Belastung und Verformungsrate, umgebendes Medium, Temperatur;

- der statistischen Auswertung wie z.B. Probenanzahl, Parameterschätzverfahren

Die Zugspannungsverläufe σ(x,y,z) in Proben und Bauteilen werden in Abhängigkeit von der maximalen Zugbeanspruchung σ p (p für peak) dargestellt.

σ(ω, ν, ϕ)=σ p *ζ(ω, ν, ϕ)

Wobei f(x, y, z) als Spannungsfunktion bezeichnet wird. [3]

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2. Der Zugversuch

2.1 Der Zugversuch

Der Zugversuch ist wegen seiner homogenen Spannungsverteilung und des rein einachsigen Spannungszustands das übersichtlichste Verfahren zur Bestimmung der Zugfestigkeit. Seine Probleme liegen in der - speziell im Hochtemperaturbereichschwierigen Krafteinleitung und in der Vermeidung überlagerter Biegespannungen.

Unterschiedliche Prüfkörper werden in der Literatur erwähnt, wobei fast ausschließlich kreisförmige Probenquerschnitte verwendet werden. Die Einspannbereiche sind als zylindrische und konische Schultern ausgebildet. Im Raumtemperaturbereich werden auch Zugversuche an glatten zylindrischen Stäben durchgeführt bei denen die Prüfkräfte durch großflächige Klebungen eingeleitet werden. Die Vorteile der Keramik gegenüber Metallen zeigen sich vor allem im Hochtemperaturbereich. Bei diesen Temperaturen können die Einspanngestänge nicht mehr aus metallischen Werkstoffen hergestellt werden. Es sind dann Keramikeinspannungen zu verwenden, die zur Reduzierung der Zugspannungen mit relativ großen Querschnitten ausgeführt werden.

Die beiden wichtigsten Ursachen für das Auftreten störender Biegespannungen sind:

- Ein seitlicher Versatz der unteren Einspanneinheit relativ zur oberen, der wie unten (Bild 5.0) verdeutlicht, durch den Winkel α beschrieben wird.

Es ergibt sich hier eine resultierende Spannung

σ

Wobei F die Zugkraft, S der Probenquerschnitt, L die Probenlänge und W b das Widerstandsmoment gegen Biegung bedeutet.

- Ein exzentrischer Einbau der Probe bei ansonsten fluchtenden Einspannklemmen ergibt eine Spannung

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