Bruchzähigkeit: Verbesserung der Widerstandsfähigkeit von Materialien

Verständnis der Bruchzähigkeit

DieBruchzähigkeit ist eine wichtige Eigenschaft in der Materialwissenschaft, die die Widerstandsfähigkeit eines Materials gegen das Wachstum von Rissen angibt. Sie ist von entscheidender Bedeutung für die Vorhersage des Versagens von Strukturen, die Belastungen ausgesetzt sind, und für die Verhinderung katastrophaler Ausfälle in technischen Anwendungen.

Schlüsselfaktoren, die die Bruchzähigkeit beeinflussen

• Duktilität: Materialien, die sich plastisch verformen können (wie Metalle), weisen in der Regel eine höhere Bruchzähigkeit auf.
• Mikrostruktur: Das Vorhandensein von Defekten, die Korngröße und die Phasenzusammensetzung können die Bruchzähigkeit beeinflussen. Feinkörnige Materialien weisen oft eine höhere Zähigkeit auf.
• Temperatur: Die Bruchzähigkeit ist temperaturabhängig. Einige Werkstoffe werden bei niedrigen Temperaturen spröder (z. B. können Metalle bei kryogenen Temperaturen spröde brechen).
• Verarbeitung und Verstärkung: Das Herstellungsverfahren (z. B. Gießen, Schmieden, Sintern) und die Zugabe von Verstärkungen (z. B. Fasern, Stabilisatoren) können die Bruchzähigkeit verbessern.

Bruchzähigkeit und Materialvariation

Die Bruchzähigkeit variiert erheblich zwischen verschiedenen Materialien aufgrund von Unterschieden in der Zusammensetzung, der Mikrostruktur und den Verarbeitungsmethoden. Im Folgenden wird erläutert, wie die Bruchzähigkeit zwischen verschiedenen Materialien variieren kann:

1. Metalle

Metalle haben im Allgemeinen eine höhere Bruchzähigkeit als Keramiken und Polymere. Die Fähigkeit von Metallen, sich plastisch zu verformen (Duktilität), trägt zu ihrer Zähigkeit bei. Einige wichtige Beispiele:

• Stahl: Kohlenstoffstähle können Bruchzähigkeitswerte von 50 bis 150 MPa-m½ aufweisen, während zähere Legierungen wie hochfeste niedrig legierte Stähle Werte von über 200 MPa-m½ erreichen können.
• Aluminium-Legierungen: Haben im Vergleich zu Stählen in der Regel eine geringere Bruchzähigkeit (30-60 MPa-m½), aber das geringe Gewicht und die Korrosionsbeständigkeit von Aluminium machen es ideal für bestimmte Anwendungen.

2. Polymere

Polymere weisen im Allgemeinen eine geringere Bruchzähigkeit auf als Metalle, können aber für bestimmte Anwendungen modifiziert werden.

• Thermoplaste: Diese weisen aufgrund ihrer Fähigkeit, sich unter Belastung zu verformen, eine bessere Bruchzähigkeit auf. Polycarbonat zum Beispiel kann Bruchzähigkeitswerte von 30 bis 70 MPa-m½ aufweisen.
• Duroplaste: Sie sind in der Regel spröder und haben eine geringere Bruchzähigkeit. Epoxidharze zum Beispiel können Werte von nur 20 MPa-m½ aufweisen, wenn sie nicht verstärkt sind.

3. Keramische Werkstoffe

Keramiken sind im Allgemeinen spröde, d. h. sie haben eine geringe Bruchzähigkeit, aber ihre Eigenschaften können je nach Zusammensetzung und Verarbeitung erheblich variieren.

• Aluminiumoxid: Eine gängige technische Keramik mit einer Bruchzähigkeit im Bereich von 3-5 MPa-m½.
• Zirkoniumdioxid: Zirkoniumdioxid ist für seine hohe Bruchzähigkeit unter den Keramiken bekannt und kann Bruchzähigkeitswerte von 5 bis 15 MPa-m½ erreichen, insbesondere wenn es mit Yttriumoxid stabilisiert ist.
• Siliziumnitrid: Siliziumnitrid ist eine zähe Keramik, die häufig in der Luft- und Raumfahrt und in industriellen Anwendungen eingesetzt wird und Bruchzähigkeitswerte von etwa 5-7 MPa-m½ erreichen kann.

4. Verbundwerkstoffe

Verbundwerkstoffe, wie z. B. faserverstärkte Polymere oder Keramik-Matrix-Verbundwerkstoffe, können je nach Verstärkungs- und Matrixmaterial eine große Bandbreite an Bruchzähigkeitswerten aufweisen.

• Faserverstärkte Verbundwerkstoffe: Kohlefaserverbundwerkstoffe beispielsweise können je nach Art und Ausrichtung der Fasern Bruchzähigkeitswerte zwischen 20 und 100 MPa-m½ aufweisen.
• Keramik-Matrix-Verbundwerkstoffe: Diese Verbundwerkstoffe kombinieren die Hochtemperaturfestigkeit von Keramik mit der verbesserten Zähigkeit von Verstärkungsfasern, wodurch sie Bruchzähigkeitswerte von 10 bis 30 MPa-m½ erreichen.

5. Glas

Glas ist in der Regel spröde und hat im Vergleich zu Metallen und Keramiken eine sehr geringe Bruchzähigkeit. Die Bruchzähigkeit der meisten Glaswerkstoffe liegt bei etwa 0,5 bis 1 MPa-m½, obwohl einige technische Gläser (wie vorgespanntes Glas oder Verbundglas) etwas höhere Werte aufweisen können.

6. Beton

Beton ist ein Verbundwerkstoff mit relativ geringer Bruchzähigkeit im Vergleich zu Metallen oder Polymeren. Seine Bruchzähigkeit liegt im Allgemeinen zwischen 0,5 und 1,5 MPa-m½, kann aber durch die Verwendung von Fasern oder anderen Zusatzstoffen verbessert werden.

Prüfmethoden für Bruchzähigkeit

Eine genaue Bewertung der Bruchzähigkeit ist für die Materialbeurteilung unerlässlich. Es werden mehrere standardisierte Prüfverfahren angewandt:

Charpy-Schlagversuch

Ein Pendel schlägt auf eine gekerbte Probe und misst die beim Bruch absorbierte Energie. Er ermöglicht eine schnelle Bewertung der Zähigkeit, ist aber für eine detaillierte Analyse weniger genau.

Kompaktzugversuch (CT)

Bei dieser Methode wird eine Zugkraft auf eine gekerbte Probe ausgeübt, was eine präzise Messung von Bruchzähigkeitsparametern wie KICK_{IC} ermöglicht.

Einzelkanten-Kerbbiegeversuch (SENB)

Eine Probe mit einer einseitigen Kerbe wird bis zum Bruch gebogen und liefert Daten über die Widerstandsfähigkeit des Materials gegen Risswachstum.

Dreipunkt-Biegeversuch

Ähnlich wie der SENB-Test, jedoch mit Unterstützung an drei Punkten, hilft diese Methode bei der Bestimmung der Bruchzähigkeit unter Biegebelastung.

Instrumentierte Eindringprüfung

Fortgeschrittene Techniken, die die Eindrückung verwenden, können die Bruchzähigkeit durch Analyse der Reaktion des Materials auf kontrollierte Verformung schätzen.

Daten zur Bruchzähigkeit

Häufig gestellte Fragen

Was ist Bruchzähigkeit?
Die Bruchzähigkeit ist ein Maß für die Fähigkeit eines Werkstoffs, dem Wachstum von Rissen zu widerstehen und so die strukturelle Integrität unter Belastung zu gewährleisten.

Warum ist die Erhöhung der Bruchzähigkeit wichtig?
Die Erhöhung der Bruchzähigkeit verhindert plötzliches Materialversagen und gewährleistet Sicherheit und Zuverlässigkeit in verschiedenen Anwendungen.

Welche Materialien haben typischerweise eine hohe Bruchzähigkeit?
Metalle wie Stahl und Titanlegierungen sowie bestimmte Verbundwerkstoffe sind für ihre hohe Bruchzähigkeit bekannt.

Wie wirkt sich die Temperatur auf die Bruchzähigkeit aus?
Temperaturänderungen können die Zähigkeit eines Werkstoffs verändern, wobei sie bei niedrigeren Temperaturen oft abnimmt und bei höheren Temperaturen zunimmt.

Was ist der Unterschied zwischen Bruchzähigkeit und Härte?
Die Bruchzähigkeit misst den Widerstand gegen Risswachstum, während die Härte den Widerstand gegen Oberflächeneindrücke und Verformung misst.