Bruchmechanik

Die Bruchmechanik geht davon aus, dass der Bruch eines Bauteils und damit eines Werkstoffes infolge der Ausbreitung von Anrissen auftritt. Sie untersucht die Bedingungen für die Ausbreitung von Rissen und gestattet es, zwischen der äußeren Beanspruchung, d. h. der am Bauteil oder Prüfkörper wirkenden Nennspannung, der Größe und Form der Anrisse sowie dem Widerstand des Werkstoffes gegen Rissausbreitung quantitative Zusammenhänge herzustellen.

Je nachdem ob das Werkstoffverhalten linear-elastisch ist oder der Werkstoff zum Fließen neigt, müssen geeignete Konzepte und Methoden zur bruchmechanischen Bewertung des Rissausbreitungsverhaltens gewählt werden. Für polymere Werkstoffe sind die linear-elastische Bruchmechanik (LEBM, LEFM) mit Kleinbereichsfließen, die Fließbruchmechanik (FBM) und die Bruchmechanik bei großen plastischen Deformationen (Post Yield Fracture Mechanics PYFM) von besonderer Bedeutung.

Die Beanspruchungsgeschwindigkeit zur Bewertung des Rissausbreitungsverhaltens kann quasistatisch oder schlagartig (dynamisch) sein. Zur Ermittlung geometrieunabhängiger bruchmechanischer Kennwerte bieten wir Ihnen eine Vielzahl von Prüfungen unter quasistatischer und schlagartiger Beanspruchung an.

Das Rissausbreitungsverhalten von Polymerwerkstoffen ist besonders sensitiv gegenüber strukturellen Änderungen im Werkstoff und erlaubt somit z. B. eine Bewertung von Werkstoffmodifikationen, der Faser-Matrix-Haftung, einer Schlagzähmodifizierung oder der Alterung.

Die bruchmechanischen Kennwerte können den Widerstand gegen instabile Rissausbreitung oder gegen stabile Risseinleitung und -ausbreitung (R-Kurven) eines polymeren Werkstoffs charakterisieren.

Die Ermittlung bruchmechanischer Kennwerte als Funktion der Temperatur ermöglicht die Ermittlung des Spröd-Zäh-Übergangsbereichs eines Werkstoffs.

Bei der Wahl der geeigneten Methode und Norm für Ihren Werkstoff und Ihre Fragestellung beraten wir Sie gern.

Quasistatische Beanspruchung

  • Methode der Essential Work of Fracture (EWF) zur Bestimmung der Wesentlichen und Nicht-Wesentlichen Brucharbeit für Folien und dünne Prüfkörper
  • Bestimmung des kritischen Spannungsintensitätsfaktors oder der Energiefreisetzungsrate unter
    • Biegebeanspruchung
    • Zugbeanspruchung
  • Ermittlung von bruchmechanischen Kennwerten unter Mode I, Mode II oder Mixed Mode

Schlagartige Beanspruchung

Methoden zur Ermittlung des Widerstands gegen instabile Rissausbreitung

  • Mittels instrumentierten Kerbschlagbiegeversuchs (IKBV)
  • Bestimmung
    • des kritischen Spannungsintensitätsfaktors (Bruchzähigkeit) Kc, Kd
    • der kritischen Rissöffnungsgerschiebung δc, δd
    • des kritischen J-Integrals Jc bzw. Jd, z. B. nach der Näherungsgleichung von Sumpter und Turner oder Merkle und Corten
    • der kritischen Energiefreisetzungsrate Gc
  • Ermittlung bruchmechanischer Kennwerte unter Mode I, Mode II oder Mixed Mode
  • Anwendung der Methode nach Vu-Kanh

Methoden zur Ermittlung des Widerstands gegen stabile Rissinitiierung und -ausbreitung (R-Kurven)

  • Mittels instrumentierten Kerbschlagbiegeversuchs (IKBV)
  • An einseitig gekerbten Dreipunktbiegeprüfkörpern (Single Edge Notched Bending, SENB)
  • An Kompaktzugprüfkörpern (Compact Tension, CT)
  • Bestimmung
    • des J-Integrals am physikalischen und technischen Rissinitiierungspunkt
    • des Tearing-Moduls TJ als Maß für den Rissausbreitungswiderstand
    • der Rissöffnungsverschiebung (schlagartig)
  • Anwendung der EWF-Methode zur Bestimmung der Wesentlichen und Nicht-Wesentlichen Brucharbeit an Folien und dünnen Prüfkörpern

Akkreditierte Normen und Prüfvorschriften

  • MPK-Prozedur MPK-IKBV Teil I:
    Kennwertermittlung als Widerstand gegenüber instabiler Rissausbreitung
  • MPK-Prozedur MPK-IKBV Teil II:
    Kennwertermittlung als Widerstand gegenüber stabiler Rissausbreitung
  • MPK-Prozedur MPK-IKZV:
    Prozedur zur Ermittlung des Risswiderstandsverhaltens mit dem instrumentierten Kerbschlagzugversuch
  • ISO 13586:
    Plastics – Determination of Fracture Toughness (GIC and KIC); Linear Elastic Fracture Mechanics (LEFM) Approach
  • ISO 13586 AMD 1:
    Plastics – Determination of Fracture Toughness (GIC and KIC); Linear Elastic Fracture Mechanics (LEFM) Approach – Amendment 1: Guidelines for the Testing of Injection-Moulded Plastics Containing Discontinous Reinforcing Fibres
  • ASTM D 6068:
    Standard Test Method for Determining J-R Curves of Plastic Materials
  • Standard Draft ESIS TC4:
    A Testing Protocol for Conducting J-Crack Growth Resistance Curve Tests on Plastics

Weitere Normen und Prüfvorschriften

  • ISO 15114:
    Fibre-reinforced Plastic Composites – Determination of the Mode II Fracture Resistance for Unidirectionally Reinforced Materials using the Calibrated End-loaded Split (C-ELS) Test and an Effective Crack Length Approach
  • ISO 17281:
    Plastics – Determination of Fracture Toughness (GIC and KIC) at Moderately High Loading Rates (1 m/s)
  • ISO 15024:
    Fibre-reinforced Plastic Composites – Determination of Mode I Interlaminar Fracture Toughness, GIC, for Unidirectionally Reinforced Materials
  • ASTM D 7905/D 7905M:
    Standard Test Method for Determination of the Mode II Interlaminar Fracture Toughness of Unidirectional Fiber-Reinforced Polymer Matrix Composites
  • ASTM D 5045:
    Standard Test Methods for Plane-Strain Fracture Toughness and Strain Energy Release Rate of Plastic Materials
  • ASTM D 6671/D 6671M:
    Standard Test Method for Mixed Mode I-Mode II Interlaminar Fracture Toughness of Unidirectional Fiber Reinforced Polymer Matrix Composites
  • ASTM D 5528:
    Standard Test Method for Mode I Interlaminar Fracture Toughness of Unidirectional Fiber-Reinforced Polymer Matrix Composites
  • ASTM E 1922:
    Standard Test Method for Translaminar Fracture Toughness of Laminated and Pultruded Polymer Matrix Composite Materials
  • JIS K 7086:
    Testing Methods for Interlaminar Fracture Toughness of Carbon Fibre Reinforced Plastic

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