TWI: Bruchzähigkeit

• TWI bietet Dienstleistungen zur Fügetechnik, Materialprüfung, Inspektion, Werkstofftechnik, Korrosion und Strukturintegrität.
• Forschung und Entwicklung, Innovationen, Beratung sowie Schulung und Zertifizierung bilden die Schwerpunkte
• Neben der Hauptniederlassung in Cambridge gibt es drei Zweigstellen in Großbritannien mit unterschiedlichen Forschungsaktivitäten und 14 Schulungszentren weltweit.
• Die wichtigsten Zahlen im Überblick:
• • TWI wurde 1946 gegründet
  • TWI hat über 600 industrielle Mitglieder
  • TWI hat über 500 Ingenieur und Techniker
  • TWI machte 2018 einen Umsatz von 80 Mio € (72 Mio £)
  • TWI betreibt 12 Innovationszentren für NSIRC-Studenten

• TWI unterstützt seine Mitglieder in allen Ebenen des Produktlebenslaufs
• • Technische Anfragen
  • Auftrags-Forschungs- und -Entwicklungsdienstleistungen
  • Grundlagenforschungsprogramm
  • Öffentlich geförderte Initiativen
  • Zertifizierte und individuell abgestimmte Schulungen
  • Professionelle Mitgliedschaft

• Bruchzähigkeit ist die Widerstandsfähigkeit eines Werkstoffs gegen Belastung
• Ein Prüfstück mit einer riss-ähnlichen Nut wird unter zunehmender Last untersucht, wobei die Längenzunahme quer zur Nut gemessen wird
• Durch die Ermittlung des Instabilitäts-Bruchpunkts (oder der maximalen Belastung) kann die Bruchzähigkeit ermittelt werden
• Normen definieren die Abmaße der Prüfstücke, die Testmethoden und die Berechnung der Bruchzähigkeitsparameter   

• Allan Wells erfand das CTOD-Konzept (crack tip opening displacement) in den 1960er Jahren an der Britisch Welding Research Organisation, der Vorgängerorganisation des TWI
• Er zeigte auch, dass CTOD in einer Biegeprobe auf eine Struktur angewandt werden kann
• Die CTOD-Gleichung und erste Prüf-Normen wurden in den 1970er Jahren von Mike Dawes entwickelt
• Bruchzähigkeitsuntersuchungen für Schweißnähte wrden von Dr. Henryk Pisarski entwickelt
• Der Bruchzähigkeits-Erfahrungsschatz wird heute über Doktorarbeiten, Normungsaktivitäten und Projektarbeit aufgefrischt, so dass TWI weiterhin eine Führungsrolle bei der Bruchzähigkeitsuntersuchung einnimmt

• Dr. Philippa Moore
• Matthew Haslett

Die folgenden, acht Konzepte spielen eine Schlüsselrolle bei der Bruchzähigkeitsuntersuchung:

• Sprödbruch ist schnell, instabil und katastrophisch
• Er benötigt eine kritische Kombination von Ursachen:
• • Scharfer Riss
  • Aufgebrachte Last (das kann auch die Resteigenspannung sein)
  • Niedrige Zähigkeit

• Brüche entstehen, wenn die rissfördernde Kraft (Last, Risslänge, Geometrie) die Widerstandsfähigkeit (Bruchzähigkeit) des Werkstoffs übersteigt 
• Bei einem Prüfstück wird die Bruchzähigkeit durch die Prüfstückeigenschaften und der Belastung am Punkt des instabilen Versagens

• Die lokalen Bedingungen in der Nähe der Riss-Spitze bestimmen das Bruchverhalten von Werkstücken:
• • Die lokalen Eigenspannungen sind hoch
  • Es gibt lokale spröde Zonen in Schweißungen und dem Mikro-Gefüge
  • Ein Riss verursacht die Kerbwirkung, was dazu führt, dass die lokale Belastung sehr viel höher als die global aufgebrachte Belastung ist
  • Der Belastungsintensitätsfaktor K charakterisiert die Amplitude des Riss-Spitzen-Belastungsfelds

• Der Belastungsintensitätsfaktor K von einer Geometrie, z.B. in einem Prüfmuster, kann auf eine andere Geometrie, z.B. von einem Bauteil oder eine Struktur, übertragen werden
• Am TWI kann ein Bruchstück des John-Thompson-Druckbehälters, der in den 1960er Jahren explodierte, besichtigt werden

• In manchen Metallen gibt es eine plastische Zone an der Riss-Spitze
• • Kleine plastische Zone → Niedrige Zähigkeit / spröde → verwende K
  • Große plastische Zone → Hohe Zähigkeit / duktil → verwende CTOD oder J
  • Addiere die elastische Komponente und die plastische Komponente von CTOD oder J zusammen
• In duktilen Werkstoffen kommt es zu stabilem Rissfortschrittsverhalten (duktiles Reißen)
• • Die plastische Zone kommt zum Stillstand und die Riss-Spitze bewegt sich vorwärts
  • Charakterisiere das Verhalten mit einer Risswiderstandskurve (R-Kurve)

• Für die Kurve des Spröd-duktil-Übergangs wird die Bruchzähigkeit (auf der y-Achse) in Abhängigkeit von der Temperatur (auf der x-Achse) aufgetragen, woraufhin eine untere Zone, eine Übergangszone und eine obere Zone unterschieden werden können.
• Die Übergangszone kann ziemlich steil sein, d.h. bis das Bauteil auf eine gewisse Temperatur abgekühlt wird, ist es ausreichend zäh, aber darunter versagt es katastrophisch
• Deshalb müssen die Bruchzähigkeitsuntersuchungen bei der tiefsten, im Betrieb möglicherweise vorkommenden Temperatur durchgeführt werden

• Die Verformungsbeschränkungen in der Mitte einer dicken Platte unterdrücken die volle Duktilität der plastischen Zone an der Riss-Spitze
• Die kleinere plastische Zone führt dazu, dass der Riss in einer spröderen Weise fortschreitet
• Eine dickere Platte aus dem gleichen Material hat eine kleinere Bruchzähigkeit als eine dünnere Platte
• Daher muss die dickste in der Struktur vorkommenden Platten auf Bruchzähigkeit getestet werden 

• Die Bruchzähigkeit hängt von folgenden Faktoren ab:
• • K -  belastungsabhängig
  • CTOD (δ) - dehnungsabhängig
  • J - energieabhängig

• Ermittle den Widerstand gegenüber der Initiierung des Rissfortschritts (in spröder und/oder duktiler Weise)
• Ermittelt in Form von K, CTOD oder J
• Einzelpunkt oder Risswiderstandskurve
• Das Prüfmuster hat die volle Wandstärke mit einer scharfen Nut als Anriss-Kerbe
• Untersuchung bei der niedrigsten Temperatur

Der Hauptteil dieses Webinars befasst sich, wie folgt, mit den Richtlinien und Normen zur Bruchzähigkeitsuntersuchung:

• Gewährleiste eine wiederholbare und zuverlässige Testmethode
• Definiere die Bruchzähigkeit am Ausgangspunkt des Risses
• • Spaltbruch oder Sprödbruch (in ferritischen Stählen) oder instabiler Bruch
  • Initiierung des duktilen Rissfortschritts (Reißen)
  • Zähigkeit unter maximaler Last
  • Definiere eine Risswiderstandskurve (R-Kurve, resistance curve)
• Anwendungsspezifische Normen (wie z.B. DNV-GL-Normen von De Norske Veritas und Germanischer Lloyd im Schiffbau und in der Öl- und Gasindustrie) bieten für den Anwendungsfall maßgeschneiderte Testmethoden für spezielle Anwendungsfälle wie z.B. eine Pipeline oder eine Ölbohrinsel auf Grundlage der allgemeinen Testmethoden
• • Sie können spezifisch angepasst sein und gewisse Annahmen zum Zweck der Untersuchung treffen, aber sie setzen ähnliche Methoden wie die Normen ein.

• Die Untersuchungsnorm sagt nicht, ob es die richtige Norm für Ihre speziellen Anforderungen ist!
• Sie sagt normalerweise nicht, wie viele Untersuchungen durchgeführt werden müssen, und bei welcher Temperatur!
• Sie garantiert nicht, dass ein spezieller Bruchzähigkeitswert erreicht werden kann!
• Sie macht keine Aussage darüber, wie die erhaltenen Ergebnisse ausgelegt und genutzt werden können!
  
  

Sie benötigen Erfahrung und Sachverstand, um die richtige Norm auszusuchen und die Ergebnisse zu interpretieren - fragen Sie im Zweifelsfall das TWI 

• SENB-Muster (Single edge notched bend  specimen)
• CT-Muster (Compact tension specimen)
• • Prüfen Sie bei CT-Mustern, ob es geeignete Gabelkopfbolzen (clevice pins) für die Untersuchung gibt
• SENT-Muster (Single edge notched tension specimen)
• • Weniger Verformungsbeschränkungen als die tief eingekerbten SENB- oder CT-Muster
  • Möglicherweise nicht auf der sicheren Seite (nicht konservativ), wenn sie für eine ungeeignete Anwendung ausgesucht werden

• ISO
• • ISO 12135 -  K, CTOD, J und R-Kurven (2016)
  • BS EN ISO 15653 -  Bruchzähigkeitsuntersuchungen an Schweißungen (2018)
• ASTM
• • ASTM E1820 -  K, CTOD, J und R-Kurven plus Anhänge (2020)
  • ASTM E399 - K_ic, Einzelpunkt-Zähigkeit in der unteren Zone (2020)
  • ASTM E1921 - K_j, T₀, Master-Kurve (2019)  
• BS 7448 - Metallische Werkstoffe
• • Teil 1 - Grundwerkstoff (1881 rev. 2002)
  • (Teil 2 - für Untersuchung von Schweißungen und Wärmeeinflusszonen, inzwischen veraltet und zurückgezogen - Großbritannien tendiert jetzt zur internationalen Harmonisierung mit ISO anstelle der Wartung und Entwicklung von BS 7448)
  • Teil 3 - dynamisch (2005)
  • Teil 4 - R-Kurven (1997 rev. 2001)
• BS 8571 - SENT-Untersuchungen (2018)

Die Normen werden im englischsprachigen Webinar genauer erläutert, als hier in der Übersetzung auszugsweise wiedergeben wird.

• Die Untersuchungsnormen geben, wie oben erläutert, keine Hinweise darauf, wie die Daten genutzt werden können
• ASTM E1820 gibt niedrigere CTOD-Werte als ISO 12135
• ASTM E1820 wird oft bevorzugt, wenn nach ASME spezifizierte Werkstoffe oder nach ASME ausgelegte Konstruktionen eingesetzt werden
• ASTM E1820  oder ASMT E1921 werden in der Nuklearindustrie bevorzugt
• BS- oder ISO-Normen werden in Großbritannien und Europa bevorzugt, und durch die Öl- und Gasindustrie
• SENT-Muster werden vor allem in der Pipeline-Industrie eingesetzt

• TWI ist UKAS akkreditiert, um Bruchzähigkeitsuntersuchungen anhand von BS 7448, ISO 12135, BS EN ISO 15653, BS 8571 und ASTM E1820 durchzuführen
• TWI kann Sie bei der Entwicklung von geeigneten Bruchzähigkeits­untersuchungs­program­men und bei der Interpretation der Ergebnisse beraten
• TWI kann bruchmechanische Untersuchungen wie ECAs (Engineering Critical Assessments) durchführen und vertreibt die CrackWISE-Software, um die Untersuchung durchzuführen
• Andere Bruchuntersuchungen, wie Kerbschlagbiegeproben nach Charpy, Riss-Stop-Grenzkurven (Crack-arrest curves), Zugproben, Untersuchungen unter Umgebungseinflüssen, dynamische Untersuchungen, Untersuchungen in Originalgröße …
• Schadensanalye und gerichtliche Gutachten
• … wir warten auf Ihre Anfrage

• philippa.moore@twi.co.uk
  
  
• duty.engineer@twi.co.uk
  
  
• stephan.kallee@alustir.com 

Für Unternehmen in Süddeutschland, Österreich und der Schweiz stellt AluStir auf Anfrage gerne weitere Informationen zu TWIs Dienstleistungen und den Normen zur Bruchzähigkeits­unter­suchung zur Verfügung. Bitte kontaktieren Sie uns per Telefon (+49 6024 636 0123) oder E-Mail (stephan.kallee@alustir.com).