Bruchzähigkeit

In der Materialwissenschaft bezeichnet die Bruchzähigkeit den kritischen Spannungsintensitätsfaktor eines scharfen Risses , bei dem sich die Rissausbreitung schlagartig beschleunigt und unbegrenzt fortschreitet. Sie ist eine Materialeigenschaft, die die Fähigkeit des Materials quantifiziert, Rissausbreitung und Versagen unter Belastung zu widerstehen. Die Dicke eines Bauteils beeinflusst die Randbedingungen an der Rissspitze: Dünne Bauteile weisen ebene Spannungszustände auf, was zu duktilem Verhalten führt, während dicke Bauteile ebene Dehnungszustände aufweisen, bei denen die Spannung zunimmt und sprödes Versagen begünstigt wird. Unter ebenen Dehnungsbedingungen ist die Bruchzähigkeit am niedrigsten . Der kritische Wert des Spannungsintensitätsfaktors bei Belastung im Modus I , gemessen unter ebenen Dehnungsbedingungen, wird als ebene Bruchzähigkeit bezeichnet . ^{[ 1 ]} Wenn ein Test die Anforderungen an die Dicke und andere Prüfkriterien zur Sicherstellung ebener Dehnungsbedingungen nicht erfüllt, wird der ermittelte Bruchzähigkeitswert als „nicht ebene Dehnung“ bezeichnet . ${\displaystyle K_{\text{Ic}}}$${\displaystyle K_{\text{c}}}$

Langsame, selbsterhaltende Rissausbreitung, bekannt als Spannungsrisskorrosion , kann in korrosiver Umgebung oberhalb und unterhalb des Schwellenwerts (Spannungsrisskorrosionsschwellenwert) auftreten. Auch während des Ermüdungsrisswachstums können kleine Rissverlängerungen auftreten , die nach wiederholten Lastzyklen zu einem allmählichen Risswachstum führen können, bis der Riss schließlich durch Überschreiten der Bruchzähigkeit versagt. ${\displaystyle K_{\text{Iscc}}}$${\displaystyle K_{\text{Ic}}}$

Die Bruchzähigkeit variiert je nach Material um etwa vier Größenordnungen. Metalle weisen die höchsten, Keramiken die niedrigsten Werte auf. In zähen Materialien können sich Risse nicht so leicht ausbreiten, wodurch Metalle unter Belastung sehr rissbeständig sind und ihre Spannungs-Dehnungs-Kurve einen großen Bereich plastischer Verformung aufweist. Obwohl Keramiken eine geringere Bruchzähigkeit besitzen, zeigen sie eine außergewöhnliche Verbesserung des Spannungsbruchverhaltens, die auf ihre im Vergleich zu Metallen um 1,5 Größenordnungen höhere Festigkeit zurückzuführen ist. Die Bruchzähigkeit von Verbundwerkstoffen, die durch die Kombination von technischer Keramik und technischen Polymeren hergestellt werden, übertrifft die Bruchzähigkeit der einzelnen Bestandteile deutlich.

Intrinsische Zähigkeitsmechanismen sind Prozesse, die vor der Rissspitze wirken und die Zähigkeit des Materials erhöhen. Diese Mechanismen greifen auf atomarer oder mikroskopischer Ebene und sind dem Material selbst inhärent, anstatt von externen Faktoren beeinflusst zu werden. Sie hängen in der Regel mit der Struktur und den Bindungen des Grundmaterials sowie mit mikrostrukturellen Merkmalen und Zusätzen zusammen. Beispiele für solche Mechanismen sind:

• Rissablenkung durch Sekundärphasen,
• Rissablösung aufgrund feinkörniger Struktur
• Veränderungen des Rissverlaufs aufgrund von Korngrenzen

Jede Veränderung des Grundmaterials, die dessen Duktilität erhöht, kann auch als intrinsische Zähigkeitssteigerung betrachtet werden. ^{[ 7 ]}

Das Vorhandensein von Körnern in einem Material kann dessen Zähigkeit beeinflussen, indem es die Rissausbreitung verändert. Vor einem Riss kann sich eine plastische Zone bilden, da das Material nachgibt. Jenseits dieser Zone bleibt das Material elastisch. Die Bruchbedingungen sind an der Grenze zwischen dieser plastischen und elastischen Zone am günstigsten, weshalb Risse häufig durch das Spalten eines Korns an dieser Stelle entstehen.

Bei niedrigen Temperaturen, bei denen das Material vollständig spröde werden kann, wie beispielsweise bei einem kubisch-raumzentrierten (krz) Metall, schrumpft die plastische Zone, und es bleibt nur die elastische Zone übrig. In diesem Zustand breitet sich der Riss durch sukzessives Spalten der Körner aus. Bei diesen niedrigen Temperaturen ist die Streckgrenze hoch, aber die Bruchdehnung und der Krümmungsradius der Rissspitze sind gering, was zu einer niedrigen Zähigkeit führt. ^{[ 8 ]}

Darüber hinaus führt die fehlende plastische Verformung bei niedrigen Temperaturen zu einer minimalen Energieabsorption vor dem Bruch, wodurch das Material sehr anfällig für plötzliches und katastrophales Versagen wird. Dieses spröde Verhalten ist besonders kritisch bei Strukturbauteilen, wo Stoßbelastungen oder Spannungskonzentrationen schnell zu Brüchen führen können. Die Duktil-Spröd-Übergangstemperatur (DBTT) definiert die Temperatur, unterhalb derer ein Material dieses spröde Verhalten zeigt. Bei kubisch-raumzentrierten (krz) Metallen variiert sie in Abhängigkeit von Faktoren wie Verunreinigungsgehalt, Korngröße und Legierungselementen. Um die DBTT zu senken und die Tieftemperaturzähigkeit zu verbessern, werden häufig technische Lösungen wie Kornfeinung oder kontrollierte Wärmebehandlungen eingesetzt. Externe Faktoren wie Dehnungsrate und triaxiale Spannungszustände können die Sprödigkeit zusätzlich verstärken, weshalb eine sorgfältige Materialauswahl für Anwendungen in kalten Umgebungen entscheidend ist.

Bei höheren Temperaturen sinkt die Streckgrenze, was zur Ausbildung einer plastischen Zone führt. Spaltbrüche beginnen wahrscheinlich an der Grenze zwischen elastisch-plastischer Zone und verbinden sich dann mit der Hauptrissspitze. Dabei handelt es sich üblicherweise um eine Mischung aus Spaltbrüchen und duktilen Kornbrüchen, die als Faserverbindungen bezeichnet werden. Der Anteil der Faserverbindungen steigt mit zunehmender Temperatur, bis die Verbindung ausschließlich aus Faserverbindungen besteht. In diesem Zustand ist die Streckgrenze zwar niedriger, jedoch führt das Vorhandensein von duktilen Brüchen und ein größerer Krümmungsradius der Rissspitze zu einer höheren Zähigkeit. ^{[ 8 ]}

Die erhöhte Plastizität bei höheren Temperaturen verstärkt die Energiedissipation während der Rissausbreitung und verbessert so die Zähigkeit des Materials. Der Übergang von sprödem zu duktilem Bruch wird zudem von der Dehnungsrate und mikrostrukturellen Faktoren wie Korngröße und Phasenzusammensetzung beeinflusst. Materialien mit feinerem Korn weisen aufgrund verstärkter Korngrenzenwechselwirkungen tendenziell eine höhere Beständigkeit gegen Rissinitiierung auf . Darüber hinaus können Oxidationseffekte bei hohen Temperaturen das Rissverhalten verändern und die Zähigkeit je nach Material und Umgebungsbedingungen entweder erhöhen oder verringern.

Einschlüsse in einem Material, wie beispielsweise Partikel einer zweiten Phase, können ähnlich wie spröde Körner wirken und die Rissausbreitung beeinflussen. Ein Bruch oder eine Trennung an einem Einschluss kann entweder durch äußere Spannungen oder durch Versetzungen entstehen, die sich bilden, wenn der Einschluss versucht, mit dem umgebenden Material verbunden zu bleiben. Ähnlich wie bei Körnern tritt der Bruch höchstwahrscheinlich an der Grenze zwischen plastisch-elastischer Zone auf. Anschließend kann sich der Riss wieder mit dem Hauptriss verbinden. Ist die plastische Zone klein oder die Dichte der Einschlüsse gering, verbindet sich der Bruch eher direkt mit der Spitze des Hauptrisses. Ist die plastische Zone groß oder die Dichte der Einschlüsse hoch, können innerhalb der plastischen Zone zusätzliche Brüche durch Einschlüsse auftreten, und die Verbindung erfolgt durch Ausbreitung des Bruchs vom Riss zum nächstgelegenen brechenden Einschluss innerhalb der Zone. ^{[ 8 ]}

Die Umwandlungsverfestigung ist ein Phänomen, bei dem ein Werkstoff eine oder mehrere martensitische (displazive, diffusionslose) Phasenumwandlungen durchläuft, die zu einer nahezu augenblicklichen Volumenänderung führen. Diese Umwandlung wird durch eine Änderung des Spannungszustands des Werkstoffs, beispielsweise durch eine Erhöhung der Zugspannung, ausgelöst und wirkt der angelegten Spannung entgegen. Wird der Werkstoff lokal unter Zugspannung gesetzt, beispielsweise an der Spitze eines wachsenden Risses, kann er eine Phasenumwandlung durchlaufen, die sein Volumen vergrößert, die lokale Zugspannung verringert und das Fortschreiten des Risses im Werkstoff behindert. Dieser Mechanismus wird genutzt, um die Zähigkeit keramischer Werkstoffe zu erhöhen, insbesondere von Yttrium-stabilisiertem Zirkonoxid für Anwendungen wie Keramikmesser und Wärmedämmschichten auf Turbinenschaufeln von Strahltriebwerken. ^{[ 9 ]}

Ein ähnlicher Zähigkeitssteigerungsprozess, allerdings ohne Volumenänderung, kann in Materialien auftreten, deren kristallographische Elementarzelle aufgrund einer äußeren Belastung ihre Orientierung ändern kann. In diesem Fall führt das Spannungsfeld an der Rissspitze zu einer Neuausrichtung der Elementarzellen in Zugspannungsrichtung, wodurch die Zugspannung reduziert wird. Da dieser Prozess keinen kristallographischen Phasenübergang beinhaltet , bleibt das Volumen der Elementarzelle konstant. Ein gutes Beispiel für ein solches Verhalten sind weiche Bleizirkonattitanat -Piezokeramiken. Anders als bei einer traditionellen Phasenumwandlung ist dieser Prozess im Allgemeinen reversibel. Die ursprüngliche Orientierung der Elementarzelle ist zudem entscheidend, da der Zähigkeitseffekt nicht eintreten kann, wenn die Elementarzelle bereits in Zugspannungsrichtung ausgerichtet ist. ^{[ 10 ]}

Extrinsische Verstärkungsmechanismen sind Prozesse, die hinter der Rissspitze wirken und deren weitere Öffnung verhindern. Beispiele hierfür sind:

• Faser-/Lamellenbrücken, bei denen diese Strukturen die beiden Bruchflächen zusammenhalten, nachdem sich der Riss durch die Matrix ausgebreitet hat.
• Risskeilbildung durch die Reibung zwischen zwei rauen Bruchflächen, und
• Mikrorissbildung, bei der sich kleinere Risse im Material um den Hauptriss herum bilden, wodurch die Spannung an der Rissspitze durch eine effektive Erhöhung der Nachgiebigkeit des Materials abgebaut wird . ^{[ 11 ]}

Bruchzähigkeitsprüfungen dienen der Quantifizierung des Widerstands eines Werkstoffs gegen Rissversagen. Diese Prüfungen liefern entweder einen einzelnen Wert für die Bruchzähigkeit oder eine Widerstandskurve . Widerstandskurven stellen die Bruchzähigkeitsparameter (K, J usw.) in Abhängigkeit von Parametern dar, die die Rissausbreitung charakterisieren. Die Widerstandskurve bzw. die einzelne Bruchzähigkeit wird anhand des Bruchmechanismus und der Stabilität ermittelt. Die Bruchzähigkeit ist eine entscheidende mechanische Eigenschaft für technische Anwendungen. Zur Messung der Bruchzähigkeit von Werkstoffen werden verschiedene Prüfverfahren eingesetzt, die im Allgemeinen gekerbte Proben in unterschiedlichen Konfigurationen verwenden. Ein weit verbreitetes standardisiertes Prüfverfahren ist der Charpy-Schlagversuch, bei dem eine Probe mit einer V- oder U-Kerbe von der Rückseite der Kerbe einem Schlag ausgesetzt wird. Ebenfalls weit verbreitet sind Rissverschiebungsversuche, wie beispielsweise Dreipunkt-Biegeversuche, bei denen dünne Risse vor dem Aufbringen der Last in die Proben eingebracht werden.

Die ASTM-Norm E1820 zur Messung der Bruchzähigkeit ^{[ 12 ]} empfiehlt drei Probentypen für die Bruchzähigkeitsprüfung: die einseitig gebogene Probe [SE(B)], die kompakte Zugprobe [C(T)] und die scheibenförmige kompakte Zugprobe [DC(T)]. Jede Probenkonfiguration ist durch drei Dimensionen charakterisiert: die Risslänge (a), die Dicke (B) und die Breite (W). Die Werte dieser Dimensionen richten sich nach den Anforderungen der jeweiligen Prüfung. Die meisten Prüfungen werden entweder mit kompakter oder mit Dreipunkt-Biegekonfiguration durchgeführt . Bei gleichen charakteristischen Abmessungen benötigt die kompakte Konfiguration weniger Material als die Dreipunkt-Biegekonfiguration.

Die Bruchrichtung ist aufgrund der inhärenten Nicht-Isotropie der meisten technischen Werkstoffe von Bedeutung. Dadurch können im Material Schwächezonen entstehen, entlang derer sich Risse leichter ausbreiten als in anderen Richtungen. Aus diesem Grund hat die ASTM eine standardisierte Methode zur Angabe der Rissrichtung in Bezug auf die Schmiedeachse entwickelt. ^{[ 13 ]} Die Buchstaben L, T und S bezeichnen die Längs- , Quer- und kurze Querrichtung , wobei die Längsrichtung mit der Schmiedeachse übereinstimmt. Die Orientierung wird durch zwei Buchstaben definiert: Der erste Buchstabe gibt die Richtung der Hauptzugspannung an, der zweite die Richtung der Rissausbreitung. Im Allgemeinen wird die untere Grenze der Zähigkeit eines Werkstoffs bei der Orientierung erreicht, bei der der Riss in Richtung der Schmiedeachse wächst.

Für genaue Ergebnisse ist vor der Prüfung ein scharfer Riss erforderlich. Gefräste Kerben und Schlitze erfüllen dieses Kriterium nicht. Am effektivsten lässt sich ein ausreichend scharfer Riss durch zyklische Belastung erzeugen, um einen Ermüdungsriss von einem Schlitz ausgehend wachsen zu lassen. Der Ermüdungsriss wird an der Spitze des Schlitzes initiiert und kann sich ausbreiten, bis die gewünschte Risslänge erreicht ist.

Die zyklische Belastung wird sorgfältig gesteuert, um die Zähigkeit des Materials nicht durch Verfestigung zu beeinträchtigen. Dies wird durch die Wahl zyklischer Belastungen erreicht, die eine deutlich kleinere plastische Zone im Vergleich zur plastischen Zone des Hauptbruchs erzeugen. Gemäß ASTM E399 sollte beispielsweise die maximale Spannungsintensität K_{_max} im Anfangsstadium nicht größer als 0,6 und bei Annäherung des Risses an seine Endgröße kleiner als 0,8 sein. ^{[ 14 ]}${\displaystyle K_{\text{Ic}}}$${\displaystyle K_{\text{Ic}}}$

In bestimmten Fällen werden Nuten in die Seiten einer Bruchzähigkeitsprobe eingearbeitet, um die Dicke der Probe entlang der vorgesehenen Rissausbreitungsrichtung auf mindestens 80 % der ursprünglichen Dicke zu reduzieren. ^{[ 15 ]} Dies dient dazu, eine gerade Rissfront während des R-Kurven-Tests zu gewährleisten.

Die vier wichtigsten standardisierten Tests werden im Folgenden beschrieben. Die Tests K _Ic und K _R gelten für die linear-elastische Bruchmechanik (LEFM), während die Tests J und J _R für die elastisch-plastische Bruchmechanik (EPFM) gelten.

Bei der Durchführung von Bruchzähigkeitsprüfungen sind die gebräuchlichsten Prüfkörperkonfigurationen die einseitige Kerbbiegung (SENB oder Dreipunktbiegung) und die kompakte Zugprobe (CT). Untersuchungen haben gezeigt, dass im Allgemeinen ebene Dehnungsbedingungen vorherrschen, wenn: ^{[ 14 ]}

$${\displaystyle B,a\geq 2.5\left({\frac {K_{IC}}{\sigma _{\text{YS}}}}\right)^{2}}$$ Dabei ist die minimal erforderliche Dicke, die Bruchzähigkeit des Materials und die Streckgrenze des Materials. ${\displaystyle B}$${\displaystyle K_{\text{Ic}}}$${\displaystyle \sigma _{\text{YS}}}$

Der Test wird durchgeführt, indem die Belastung mit einer Rate erhöht wird, die dazu führt, dass K_{_I} von 0,55 auf 2,75 MPa /s ansteigt. Während des Tests werden die Belastung und die Rissöffnungsverschiebung (CMOD) aufgezeichnet. Der Test wird fortgesetzt, bis die maximale Belastung erreicht ist. Die kritische Last P_{_Q} wird aus dem Last-CMOD-Diagramm berechnet. Eine vorläufige Zähigkeit K_{_Q} wird angegeben als ${\displaystyle {\sqrt {m}}}$

$${\displaystyle K_{Q}={\frac {P_{Q}}{{\sqrt {W}}B}}f(a/W,...)}$$Die

Der Geometriefaktor ist eine dimensionslose Funktion von a/W und wird in der Norm E 399 in Polynomform angegeben. Der Geometriefaktor für eine kompakte Prüfgeometrie ist hier zu finden . ^{[ 16 ]} Dieser vorläufige Zähigkeitswert gilt als gültig, wenn die folgenden Anforderungen erfüllt sind: ${\displaystyle f(a/W,...)}$

$${\displaystyle min(B,a)>2.5\left({\frac {K_{Q}}{\sigma _{\text{YS}}}}\right)^{2}}$$Und${\displaystyle P_{max}\leq 1.1P_{Q}}$

Wird ein Werkstoff mit unbekannter Bruchzähigkeit geprüft, wird entweder eine Probe mit voller Materialdicke getestet oder die Probengröße anhand einer Bruchzähigkeitsprognose bestimmt. Erfüllt der ermittelte Bruchzähigkeitswert nicht die Anforderungen der oben genannten Gleichung, muss der Test mit einer dickeren Probe wiederholt werden. Neben dieser Dickenberechnung stellen die Prüfvorgaben weitere Anforderungen (z. B. die Größe der Scherlippen), die erfüllt sein müssen, bevor ein K_{_IC}-Wert ermittelt werden kann.

Wenn ein Test die Anforderungen an die Dicke und andere ebene Dehnungsbedingungen nicht erfüllt, wird der ermittelte Bruchzähigkeitswert mit K_{_c} bezeichnet . Manchmal ist es nicht möglich, eine Probe herzustellen, die die Dickenanforderung erfüllt. Beispielsweise kann es bei der Prüfung einer relativ dünnen Platte mit hoher Zähigkeit unter Umständen nicht möglich sein, eine dickere Probe mit ebenen Dehnungsbedingungen an der Rissspitze herzustellen.

Die Probe mit stabilem Risswachstum zeigt mit zunehmender Risslänge einen steigenden Trend der Bruchzähigkeit (duktile Rissausbreitung). Diese Darstellung der Bruchzähigkeit in Abhängigkeit von der Risslänge wird als Widerstandskurve (R-Kurve) bezeichnet. ASTM E561 beschreibt ein Verfahren zur Bestimmung von Bruchzähigkeits-Risswachstumskurven in Werkstoffen. ^{[ 17 ]} Diese Norm legt keine Mindestdicke für das Material fest und kann daher auch für dünne Bleche verwendet werden. Allerdings müssen die Anforderungen an die lineare-elastische Bruchmechanik (LEFM) erfüllt sein, damit der Test gültig ist. Die LEFM-Kriterien besagen im Wesentlichen, dass die Dimension in der Ebene im Vergleich zur plastischen Zone groß sein muss. Es besteht ein Missverständnis bezüglich des Einflusses der Dicke auf die Form der R-Kurve. Es wird fälschlicherweise angenommen, dass bei gleichem Material ein dickerer Abschnitt durch ebenen Dehnungsbruch versagt und eine einheitliche Bruchzähigkeit aufweist, während ein dünnerer Abschnitt durch ebenen Spannungsbruch versagt und eine ansteigende R-Kurve zeigt. Der Hauptfaktor, der die Steigung der R-Kurve bestimmt, ist jedoch die Bruchmorphologie und nicht die Dicke. Bei manchen Werkstoffen ändert sich die Bruchmorphologie mit zunehmender Wandstärke von duktilem Riss zu Spaltbruch. In diesem Fall bestimmt allein die Wandstärke die Steigung der R-Kurve. Es gibt Fälle, in denen sogar ebener Dehnungsbruch mit ansteigender R-Kurve auftritt, da die „Mikroporenverschmelzung“ der Versagensmechanismus ist.

Die genaueste Methode zur Auswertung der KR-Kurve berücksichtigt die Plastizität in Abhängigkeit von der relativen Größe der plastischen Zone. Bei vernachlässigbarer Plastizität wird die Last-Verschiebungs-Kurve aus dem Versuch ermittelt und an jedem Punkt die Nachgiebigkeit bestimmt. Die Nachgiebigkeit ist der Kehrwert der Steigung der Kurve, die sich ergibt, wenn die Probe an einem bestimmten Punkt entlastet wird. Sie kann als Verhältnis von Verschiebung zu Last für die lineare-elastische Bruchmechanik (LEFM) angegeben werden. Mithilfe der Nachgiebigkeit wird die momentane Risslänge über die in der ASTM-Norm angegebene Beziehung bestimmt.

Die Spannungsintensität sollte durch Berechnung einer effektiven Risslänge korrigiert werden. Die ASTM-Norm schlägt zwei alternative Ansätze vor. Die erste Methode ist die sogenannte Irwin-Korrektur der plastischen Zone. Nach Irwin beträgt die effektive Risslänge [ ^{18 ] .}${\displaystyle a_{\text{eff}}}$

$${\displaystyle a_{\text{eff}}=a+{\frac {1}{2\pi }}\left({\frac {K}{\sigma _{YS}}}\right)^{2}}$$

Irwins Ansatz führt zu einer iterativen Lösung, da K selbst eine Funktion der Risslänge ist.

Die andere Methode, das Sekantenverfahren, verwendet die in der ASTM-Norm angegebene Gleichung für die Nachgiebigkeit und Risslänge, um die effektive Risslänge aus der effektiven Nachgiebigkeit zu berechnen. Die Nachgiebigkeit an einem beliebigen Punkt der Last-Verschiebungs-Kurve entspricht im Wesentlichen dem Kehrwert der Steigung der Kurve, die sich ergibt, wenn die Probe an diesem Punkt entlastet wird. Die Entlastungskurve kehrt bei linear-elastischem Material zum Ursprung zurück, nicht jedoch bei elastisch-plastischem Material, da eine bleibende Verformung auftritt. Die effektive Nachgiebigkeit an einem Punkt im elastisch-plastischen Fall entspricht der Steigung der Geraden durch den Punkt und den Ursprung (d. h. der Nachgiebigkeit, wenn das Material elastisch wäre). Mit dieser effektiven Nachgiebigkeit wird das effektive Risswachstum ermittelt, und die weitere Berechnung erfolgt gemäß der Gleichung.

$${\displaystyle K_{I}={\frac {P}{{\sqrt {W}}B}}f(a_{\text{eff}}/W,...)}$$

Die Wahl der Plastizitätskorrektur hängt von der Größe der plastischen Zone ab. Die ASTM-Norm für Widerstandskurven legt nahe, dass die Irwin-Methode bei kleinen plastischen Zonen akzeptabel ist und empfiehlt die Sekantenmethode bei ausgeprägter Rissspitzenplastizität. Da die Norm ASTM E 561 keine Anforderungen an die Probengröße oder die maximal zulässige Rissausbreitung stellt, ist die Größenunabhängigkeit der Widerstandskurve nicht gewährleistet. Einige Studien zeigen, dass die Größenabhängigkeit in den experimentellen Daten der Sekantenmethode weniger ausgeprägt ist.

Die Energiefreisetzungsrate pro Bruchflächeneinheit wird mittels J-Integral berechnet. Dieses Verfahren ist ein Konturpfadintegral um die Rissspitze, wobei der Pfad auf einer der Rissflächen beginnt und endet. Der J -Zähigkeitswert beschreibt den Widerstand des Materials hinsichtlich der für das Risswachstum erforderlichen Spannungsenergie. Der J_{_IC} -Zähigkeitswert wird für elastisch-plastische Werkstoffe gemessen. Der eindeutige J_{_IC}-Wert wird als Zähigkeit nahe dem Beginn der duktilen Rissausbreitung bestimmt (der Einfluss der Verfestigung ist vernachlässigbar). Der Test wird mit mehreren Proben durchgeführt, wobei jede Probe unterschiedlich stark belastet und entlastet wird. Dies liefert die Rissöffnungs-Compliance, aus der mithilfe der in der ASTM-Norm E 1820 angegebenen Beziehungen, welche die J -Integral-Prüfung beschreibt, die Risslänge ermittelt wird. ^{[ 19 ]} Eine weitere Möglichkeit zur Messung des Risswachstums besteht darin, die Probe durch Wärmefärbung oder Ermüdungsrisse zu markieren. Die Probe wird schließlich gebrochen, und die Rissausbreitung wird anhand der Markierungen gemessen.

Der so durchgeführte Test liefert mehrere Last-Rissmaulöffnungs-Kurven (CMOD-Kurven), die zur Berechnung von J wie folgt verwendet werden:

$${\displaystyle J=J_{el}+J_{pl}}$$

Der lineare Elastizitätsmodul J wird mit Hilfe von berechnet , und K wird aus bestimmt, wobei die Nettodicke für seitlich genutete Proben und gleich B für nicht seitlich genutete Proben ist. ${\textstyle J_{el}={\frac {K^{2}\left(1-\nu ^{2}\right)}{E}}}$${\textstyle K_{I}={\frac {P}{\sqrt {WBB_{N}}}}f(a/W,...)}$${\displaystyle B_{N}}$

Der elastische plastische J-Wert wird berechnet mit

$${\displaystyle J_{\mathrm {pl} }={\frac {\eta A_{\mathrm {pl} }}{B_{N}b_{o}}}}$$

Wo

• ${\displaystyle \eta }$= 2 für SENB-Probe
• ${\displaystyle b_{o}}$Die anfängliche Ligamentlänge ergibt sich aus der Differenz zwischen Breite und anfänglicher Risslänge.
• ${\displaystyle A_{\mathrm {pl} }}$ist die plastische Fläche unter der Last-Verschiebungs-Kurve.

Zur Ermittlung eines vorläufigen Wertes wird eine spezielle Datenreduktionstechnik verwendet . Der Wert wird akzeptiert, wenn folgendes Kriterium erfüllt ist: ${\displaystyle J_{Q}}$

$${\displaystyle \min(B,b_{o})\geq {\frac {25J_{Q}}{\sigma _{\text{YS}}}}}$$

Der Weiterreißversuch (z. B. Kahn-Weiterreißversuch) liefert ein semiquantitatives Maß für die Zähigkeit in Bezug auf die Weiterreißfestigkeit. Dieser Versuchstyp benötigt eine kleinere Probe und kann daher für ein breiteres Spektrum an Produktformen eingesetzt werden. Der Weiterreißversuch eignet sich auch für sehr duktile Aluminiumlegierungen (z. B. 1100, 3003), bei denen die linear-elastische Bruchmechanik nicht anwendbar ist.

Eine Reihe von Organisationen veröffentlicht Normen im Zusammenhang mit der Messung der Bruchzähigkeit, namentlich ASTM , BSI , ISO und JSME.

• ASTM C1161 Prüfverfahren zur Bestimmung der Biegefestigkeit von Hochleistungskeramik bei Umgebungstemperatur
• ASTM C1421 Standardprüfverfahren zur Bestimmung der Bruchzähigkeit von Hochleistungskeramiken bei Umgebungstemperatur
• ASTM E399 Prüfverfahren zur Bestimmung der Bruchzähigkeit metallischer Werkstoffe unter ebener Dehnung
• ASTM E740 Verfahren zur Bruchprüfung an Zugproben mit Oberflächenrissen
• ASTM E1820 Standardprüfverfahren zur Messung der Bruchzähigkeit
• ASTM E1823 Terminologie für die Ermüdungs- und Bruchprüfung
• ISO 12135 Metallische Werkstoffe — Einheitliches Prüfverfahren zur Bestimmung der quasistatischen Bruchzähigkeit
• ISO 28079:2009, die Palmqvist-Methode , wird zur Bestimmung der Bruchzähigkeit von Hartmetallen verwendet ^{[ 20 ].}

Viele polykristalline Keramiken entwickeln große Risse, die sich entlang der Korngrenzen ausbreiten, anstatt durch die einzelnen Kristalle selbst zu wachsen, da die Zähigkeit der Korngrenzen deutlich geringer ist als die der Kristalle. Die Orientierung der Korngrenzenfacetten und die Eigenspannungen führen zu einem komplexen, gewundenen Rissverlauf, der schwer zu analysieren ist. Die einfache Berechnung der zusätzlichen Oberflächenenergie, die durch die vergrößerte Korngrenzenoberfläche aufgrund dieser Wendigkeit entsteht, ist ungenau, da ein Teil der Energie zur Rissbildung aus den Eigenspannungen stammt. ^{[ 21 ]}

Ein von Katherine Faber und Anthony G. Evans eingeführtes Modell der Werkstoffmechanik wurde entwickelt, um die Erhöhung der Bruchzähigkeit von Keramiken aufgrund der Rissablenkung um Zweitphasenpartikel vorherzusagen, die in einer Matrix zu Mikrorissen neigen. ^{[ 22 ]} Das Modell berücksichtigt die Partikelmorphologie, das Aspektverhältnis, den Abstand und den Volumenanteil der Zweitphase sowie die Reduzierung der lokalen Spannungsintensität an der Rissspitze bei Rissablenkung oder Krümmung der Rissebene. Die tatsächliche Rissverkrümmung wird mittels bildgebender Verfahren ermittelt, wodurch die Ablenkungs- und Krümmungswinkel direkt in das Modell eingegeben werden können.

Die daraus resultierende Erhöhung der Bruchzähigkeit wird anschließend mit der eines ebenen Risses durch die Matrix verglichen. Das Ausmaß der Zähigkeitssteigerung wird durch die durch thermische Kontraktionsinkompatibilität verursachte Dehnungsdifferenz und den Mikrorisswiderstand der Partikel/Matrix-Grenzfläche bestimmt. ^{[ 23 ]} Diese Zähigkeitssteigerung wird bei einer engen Größenverteilung geeigneter Partikel deutlich. Forscher akzeptieren im Allgemeinen die Ergebnisse der Faber-Analyse, die nahelegt, dass Durchbiegungseffekte in Materialien mit annähernd gleichachsigen Körnern die Bruchzähigkeit um etwa das Doppelte des Korngrenzenwertes erhöhen können.

• Anderson, TL, Bruchmechanik: Grundlagen und Anwendungen (CRC Press, Boston 1995).
• Davidge, RW, Mechanisches Verhalten von Keramik (Cambridge University Press 1979).
• Knott, KF, Grundlagen der Bruchmechanik (1973).
• Suresh, S., Fatigue of Materials (Cambridge University Press 1998, 2. Auflage).