Festigkeitsprüfung
von keramischen Bauteilen

Autor: Dipl.-Ing. Jens Magenheimer, MBA

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>
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]

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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 () und Dehnung () dar.

Für die einachsige Zugbeanspruchung ergibt sich

<Formel>

Für die Schubspannung () lautet das äquivalente Hooke′sche Gesetz

<Formel>

mit dem Gleitmodul G und der Gleichung 
Zwischen E und G besteht der Zusammenhang

<Formel>

mit der Querkontraktionszahl oder Poissonkonstante (Bild2)

<Formel>

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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