DIN CEN TS 14425-1-2003 Advanced technical ceramics - Test methods for determination of fracture toughness of monolithic ceramics - Part 1 Guide to test method selection German ver.pdf

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1、November 2003VornormHochleistungskeramikPrfverfahren zur Bestimmung der Bruchzhigkeit von monolithischer KeramikTeil 1: Leitlinie zur Auswahl des PrfverfahrensDeutsche Fassung CEN/TS 14425-1:2003CEN/TS 14425-1ICS 81.060.30Advanced technical ceramics Test methods for determination of fracture toughne

2、ss of monolithic ceramics Part 1: Guide to test method selection;German version CEN/TS 14425-1:2003Eine Vornorm ist das Ergebnis einer Normungsarbeit, das wegen bestimmter Vorbehalte zum Inhalt oderwegen des gegenber einer Norm abweichenden Aufstellungsverfahrens vom DIN noch nicht als Normherausgeg

3、eben wird.Zur vorliegenden Vornorm wurde kein Entwurf verffentlicht.Erfahrungen mit dieser Vornorm sind erbeten an den Normenausschuss Materialprfung (NMP) im DINDeutsches Institut fr Normung e. V., 10772 Berlin (Hausanschrift: Burggrafenstrae 6, 10787 Berlin).Nationales VorwortDie Technische Spezif

4、ikation CEN/TS 14425-1 wurde vom Technischen Komitee CEN/TC 184 Hoch-leistungskeramik (Sekretariat: BSI, Vereinigtes Knigreich) unter intensiver deutscher Mitarbeitausgearbeitet.Fr die deutsche Mitarbeit ist der Arbeitsausschuss NMP 291 Hochleistungskeramik MonolithischeWerkstoffe verantwortlich.For

5、tsetzung 12 Seiten CEN/TSNormenausschuss Materialprfung (NMP) im DIN Deutsches Institut fr Normung e. V. DIN Deutsches Institut fr Normung e.V. . Jede Art der Vervielfltigung, auch auszugsweise, Ref. Nr. DIN CEN/TS 14425-1:2003-11nur mit Genehmigung des DIN Deutsches Institut fr Normung e. V., Berli

6、n, gestattet. Preisgr. 09 Vertr.-Nr. 0009Alleinverkauf der Normen durch Beuth Verlag GmbH, 10772 BerlinVornormNormCD Stand 2004-03 Leerseite Vornorm NormCD Stand 2004-03TECHNISCHE SPEZIFIKATIONTECHNICAL SPECIFICATIONSPCIFICATION TECHNIQUECEN/TS 14425-1Juli 2003ICS 81.060.30Deutsche FassungHochleistu

7、ngskeramikPrfverfahren zur Bestimmung der Bruchzhigkeit von monolithischerKeramikTeil 1: Leitlinie zur Auswahl des PrfverfahrensAdvanced technical ceramics Test methods for determination of fracture toughness ofmonolithic ceramics Part 1:Guide to test method selectionDiese Technische Spezifikation (

8、CEN/TS) wurde vom CEN am 19. Januar 2003 zur vorlufigen Anwendung angenommen.Die Gltigkeitsdauer dieser CEN/TS ist zunchst auf drei Jahre begrenzt. Nach zwei Jahren werden die Mitglieder des CEN gebeten, ihreStellungnahmen abzugeben, insbesondere ber die Frage, ob die CEN/TS in eine Europische Norm

9、umgewandelt werden kann.Die CEN-Mitglieder sind verpflichtet, das Vorhandensein dieser CEN/TS in der gleichen Weise wie bei einer EN anzukndigen und dieCEN/TS verfgbar zu machen. Es ist zulssig, entgegenstehende nationale Normen bis zur Entscheidung ber eine mglicheUmwandlung der CEN/TS in eine EN (

10、parallel zur CEN/TS) beizubehalten.CEN-Mitglieder sind die nationalen Normungsinstitute von Belgien, Dnemark, Deutschland, Finnland, Frankreich, Griechenland, Irland,Island, Italien, Luxemburg, Malta, Niederlande, Norwegen, sterreich, Portugal, Schweden, Schweiz, der Slowakei, Spanien, derTschechisc

11、hen Republik, Ungarn und dem Vereinigten Knigreich.EUROPISCHES KOMITEE FR NORMUNGEUROPEAN COMMITTEE FOR STANDARDIZATIONCOMIT EUROPEN DE NORMALISATIONManagement-Zentrum: rue de Stassart, 36 B-1050 Brssel 2003 CEN Alle Rechte der Verwertung, gleich in welcher Form und in welchemVerfahren, sind weltwei

12、t den nationalen Mitgliedern von CEN vorbehalten.Ref. Nr. CEN/TS 14425-1:2003 DNormCD Stand 2004-03CEN/TS 14425-1:2003 (D)2InhaltSeiteVorwort 31 Anwendungsbereich. 42 Normative Verweisungen . 43 Begriffe. 44 Bedeutung und Anwendung 55 Prfverfahren. 55.1 Hintergrund 55.2 Prfverfahren. 55.3 Mikrostruk

13、tur der Probe . 95.4 Probenbearbeitung . 95.5 Streuung der Prfergebnisse. 96 Kriterien zur Auswahl eines Prfverfahrens zur Bestimmung der scheinbaren Bruchzhigkeit. 10Literaturhinweise 11Vornorm NormCD Stand 2004-03CEN/TS 14425-1:2003 (D)3VorwortDieses Dokument CEN/TS 14425-1:2003 wurde vom Technisc

14、hen Komitee CEN/TC 184 Hochleistungskeramikerarbeitet, dessen Sekretariat vom BSI gehalten wird.Dieses Dokument wurde unter einem Mandat erarbeitet, das die Europische Kommission und die EuropischeFreihandelszone dem CEN erteilt haben.Entsprechend der CEN/CENELEC-Geschftsordnung sind die nationalen

15、Normungsinstitute der folgenden Lndergehalten, diese Technische Spezifikation anzukndigen: Belgien, Dnemark, Deutschland, Finnland, Frankreich,Griechenland, Irland, Island, Italien, Luxemburg, Malta, Niederlande, Norwegen, sterreich, Portugal, Schweden,Schweiz, Slowakei, Spanien, Tschechische Republ

16、ik, Ungarn und das Vereinigte Knigreich.CEN/TS 14425 Hochleistungskeramik Prfverfahren zur Bestimmung der Bruchzhigkeit von monolithischerKeramik besteht aus fnf Teilen: Teil 1: Leitlinie zur Auswahl des Prfverfahrens Teil 2: Verfahren fr Biegeproben mit durchgehendem Oberflchenriss (SEPB-Verfahren)

17、 Teil 3: Verfahren fr Biegeproben mit Chevron-Kerb (CNB-Verfahren) Teil 4: Verfahren fr Biegeproben mit Oberflchenriss (Knoop-Riss) (SCF-Verfahren) Teil 5: Verfahren fr Biegeproben mit V-Kerb (SEVNB-Verfahren)Vornorm NormCD Stand 2004-03CEN/TS 14425-1:2003 (D)41 Anwendungsbereich1.1 Dieser Teil von

18、CEN/TS 14425 liefert Angaben ber den Vergleichswert aus Prfverfahren zur Bestimmungder scheinbaren Bruchzhigkeit monolithischer Hochleistungskeramik und eine Leitlinie ihrer Auswahl. Im Rahmendieser Norm umfasst die Benennung monolithisch Hochleistungskeramiken, die durch Teilchen, flache Schichtenu

19、nd Whisker verstrkt werden und makroskopisch als homogen angesehen werden knnen. LangfaserverstrkteKeramiken werden nicht erfasst.1.2 In diesem Teil von CEN/TS 14425 wird auf spezifische Prfverfahren verwiesen, die in anderen Teilen dieserTechnischen Spezifikation beschrieben werden.2 Normative Verw

20、eisungenDiese Technische Spezifikation enthlt durch datierte oder undatierte Verweisungen Festlegungen aus anderenPublikationen. Diese normativen Verweisungen sind an den jeweiligen Stellen im Text zitiert, und die Publikationensind nachstehend aufgefhrt. Bei datierten Verweisungen gehren sptere nde

21、rungen oder berarbeitungen die-ser Publikationen nur zu dieser Technischen Spezifikation, falls sie durch nderung oder berarbeitung eingear-beitet sind. Bei undatierten Verweisungen gilt die letzte Ausgabe der in Bezug genommenen Publikation (ein-schlielich nderungen).EN 843-1, Hochleistungskeramik

22、Monolithische Keramik Mechanische Eigenschaften bei Raumtemperatur Teil 1: Bestimmung der Biegefestigkeittel.3 BegriffeFr die Anwendung dieser Technischen Spezifikation gelten die folgenden Begriffe.3.1Spannungsintensittsfaktor (K)Betrag des Faktors, der das ideale Spannungsfeld an der Rissspitze (e

23、ine Spannungsfeld-Singularitt) fr einenbesonderen Modus in einem homogenen linear-elastischen Krper bestimmt. In dieser Technischen Spezifikationwird in erster Linie das Rissffnungsverhalten Klerfasst3.2kritischer Spannungsintensittsfaktor (Kc)Betrag des Spannungsintensittsfaktors, der erforderlich

24、ist, damit eine Rissausbreitung mit hoher Geschwindigkeitveranlasst wird3.3RisserweiterungswiderstandBestndigkeit gegenber der Erweiterung eines Risses, angegeben entweder (1) als Spannungsintensittsfaktorfr die Rissausbreitung (blicherweise als Bruchzhigkeit bezeichnet) oder (2) als die Kraft je Br

25、eiteneinheit desRisses, die erforderlich ist, um den Riss zu erweitern oder (3) als J-Wert, das so genannte J-Integral3.4Bruchzhigkeitder von einem Werkstoff gezeigte Widerstand gegen die Ausbreitung eines Risses durch den WerkstoffANMERKUNG Diese Benennung sollte blicherweise durch die Bedingungen

26、beschrieben werden, unter denen die Prfungdurchgefhrt wird, weil der ermittelte Wert von der Gre und Geometrie des Risses, vom Spannungsfeld, von der Rissaus-breitungsgeschwindigkeit und dem Prfverfahren abhngen kann.3.5scheinbare Bruchzhigkeitdie nach einem bestimmten Verfahren unter den Bedingunge

27、n dieses Verfahren ermittelte Bruchzhigkeit3.6Brucharbeitan einer Probe verrichtete uere mechanische Arbeit, um eine Flcheneinheit einer neuen makroskopischenRissfront zu erzeugenVornorm NormCD Stand 2004-03CEN/TS 14425-1:2003 (D)53.7Bruchzhigkeit bei ebenem DehnungszustandBruchzhigkeit unter den Be

28、dingungen eines ebenen Verformungszustands an der Rissspitze, d. h. alle Verfor-mungen werden auf eine Ebene begrenzt, die senkrecht zur Rissfront verluft und in der sich der Riss ausbreitet3.8stabiles RisswachstumWachstum eines Risses, das mit Hilfe der bei der Prfung angewendeten Technik unter bek

29、annten und geregeltenBedingungen erfolgt3.9instabiles RisswachstumWachstum eines Risses, das unter Bedingungen erfolgt, unter denen die Beschleunigung der Rissfront mit Hilfeder bei der Prfung angewendeten Technik nicht zu kontrollieren ist3.10pltzliches Risswachstumbei Aufbringung einer Kraft eine

30、pltzlich erfolgende Weiterentwicklung einer zuvor schon vorhandenen Rissfrontausgehend von einer bestimmten Ausgangsposition oder Entwicklung eines neuen Risses bis zu einer stabilenPosition, ohne Gesamtausfall einer Probe3.11R-Kurvegraphische Darstellung des Risserweiterungswiderstands als Funktion

31、 einer stabilen Risserweiterung4 Bedeutung und AnwendungFr sprde und nominell rissfreie Werkstoffe ist die Zhigkeit kein technischer Konstruktionsparameter im gleichenSinn wie fr zhere Werkstoffe. Der Grund ist, dass mikroskopisch kleine Defekte, z. B. Korngrenzen, Grokorn,Poren, Einschlsse oder Ver

32、arbeitungsdefekte eine so geringe Gre haben, dass mit Hilfe eines zerstrungsfrei-en Verfahrens keine erfolgreiche Messung durchfhrbar ist. Trotzdem sind aus der Zhigkeit relativ sprder Werk-stoffe wertvolle Schlsse auf andere mechanische Eigenschaften mglich, z. B. auf Defektzulssigkeit, Abriebver-s

33、chlei und Erosionsbestndigkeit, Schlagfestigkeit, Ermdungsbestndigkeit und Temperaturwechselbestndig-keit.5 Prfverfahren5.1 HintergrundEs ist festgestellt worden, dass fr Hochleistungskeramiken die scheinbare Bruchzhigkeit bei ebenem Dehnungs-zustand mglicherweise keine eindeutige Werkstoffeigenscha

34、ft darstellt. Die bei einer bestimmten Prfung ermit-telten Zahlenwerte knnen durch Faktoren beeinflusst werden, die vom Prfverfahren, der Risslnge und der Riss-ausbreitungsgeschwindigkeit abhngig sind. Daher ist es mglich, dass bei unterschiedlichen Prfungen Ergebnis-se mit nicht quivalenten Zahlenw

35、erten ermittelt werden. Einige Faktoren, die fr die Auswahl des Prfverfahrenswichtig sind, werden nachfolgend angegeben.ANMERKUNG Anhang A enthlt ein ausgewhltes Literaturverzeichnis fr Verfahren zur Bestimmung der Bruchzhigkeit frHochleistungskeramik.5.2 Prfverfahren5.2.1 Die groe Anzahl der mglich

36、en Prfverfahren zur Bestimmung der scheinbaren Bruchzhigkeit (KIc) sindin zwei Gruppen unterteilt:1) Verfahren, die Bestimmungen des kritischen Spannungsintensittsfaktors mit hoher Qualitt ermglichen,wenn exakte und zuverlssige Kalibrierungen durchgefhrt wurden;2) Verfahren, die hufig angewendet wer

37、den, bei denen die Kalibrierung jedoch betrchtliche Unsicherheitenzeigt oder aber Verfahren, bei denen der Anriss nicht eindeutig gekennzeichnet werden kann oder bei denener bereits durch das zur Risserzeugung angewendete Verfahren unter Spannung gesetzt wird; diese Pr-fungen sollten nur fr Vergleic

38、hszwecke angewendet werden.Vornorm NormCD Stand 2004-03CEN/TS 14425-1:2003 (D)65.2.2 In dieser Technischen Spezifikation werden insgesamt sechs Verfahren erfasst, die auf die in EN 843-1beschriebenen Biegeproben anwendbar sind. Einige dieser Verfahren fallen in die erste Gruppe, whrend einigeder zwe

39、iten Gruppe zuzuordnen sind. In Tabelle 1 werden die Verfahren sowie ihr Qualittsniveau zur Bestimmungder scheinbaren Bruchzhigkeit aufgefhrt. Im Bild 1 werden Probe und geometrische Bedingungen fr den Anrissschematisch dargestellt.Verfahren mit angerissenen Proben oder Verfahren, bei denen Risse au

40、ftreten, die sich weiter als in einer Grevon nur einigen zehn Mikrometern entwickeln, knnen durch ein Verhalten der Proben gekennzeichnet werden,das der so genannten ansteigenden Risswiderstandskurve (R-Kurve) entspricht. Dieses Verhalten ist besonders frWerkstoffe zu beobachten, in denen hinter dem

41、 entwickelten Riss eine unvollstndige Rissfrontabtrennung auftritt.Es wurde festgestellt, dass besonders grobkrnige Werkstoffe dieses Verhalten zeigen, z. B. Aluminiumoxid, sowieWerkstoffe, die durch Whisker oder flache Schichten und durch metallische Phasen verstrkt wurden. Dieser Effektkann auch i

42、n Werkstoffen gefunden werden, in denen bei Ausbreitung des Risses im Bereich der Rissspitze einePhasenumwandlung auftritt, z. B. in einigen Zirconiumdioxiden. Der R-Kurven-Effekt kann von den geometrischenBedingungen der Probe abhngig sein; er stellt kein Werkstoffmerkmal dar, das mengenmig eindeut

43、ig zu erfas-sen ist.5.2.3 Die fr einige Prfungen entwickelten Kalibrier-Gleichungen knnen eingeschrnkte Gltigkeitsbereichehaben, wenn die Risslnge auf die Mae der Probe bezogen wird oder bei den IF- und IS-Verfahren auf die Gredes angewendeten Hrteeindrucks. Beim CNB-Verfahren ist die Kalibrierung n

44、ur gltig, wenn sich der Riss stabilvon der Kerbspitze bis zu einer eindeutig festgelegten Spitzenlast ausbreitet. Es sollte nach alternativen Verfahrengesucht werden, wenn die Rissgeometrie auerhalb des Kalibrierbereichs liegt.Vornorm NormCD Stand 2004-03CEN/TS 14425-1:2003 (D)7Bild 1 Schematische D

45、arstellungen des Bereichs der Prfverfahren zur Bestimmung der scheinbarenBruchzhigkeitAbkrzungen siehe Tabelle 1Vornorm NormCD Stand 2004-03CEN/TS 14425-1:2003 (D)8Tabelle 1 Prfungen zur Bestimmung der scheinbaren Bruchzhigkeit an kleinen ProbenVerfahren Beschreibung Kalibrierungen Unsicherheiten od

46、er SchwierigkeitenVerfahren fr Biege-proben mit durchge-hendem Oberflchen-riss (SEPB)(prCEN/TS 14425-2)Biegeprfung an einerBiegeprobe, in derenzugbeanspruchte Seiteein kurzer geraderscharfer Riss aufge-bracht wurde.Fr einen weiten Be-reich angerissenerLngen sind exakteKalibrierungen ver-fgbar; Zhigk

47、eit beieiner bestimmtenRisslnge.Das Erzeugen der Anrisse erforderteiniges Geschick, um Risse mit gera-der Rissfront zu erzeugen. Ergebnis-se werden durch das Verhalten beiansteigender Risswiderstandskurvebeeinflusst.Verfahren fr Biege-proben mitChevron-Kerb (CNB)(prCEN/TS 14425-3)Biegeprfung an eine

48、rBiegeprobe mit zweikomplanaren winkligenKerben, die beim Brucheinen scharfen drei-eckfrmigen Bereichhinterlassen.exakte Kalibrierungen Bruchzhigkeit an einer gut definier-ten Risslnge; Risseinleitung in eini-gen Werkstoffen schwierig; Ergebnisbeeinflusst durch das Verhalten beiansteigender Risswide

49、rstandskurve.Verfahren fr Biege-proben mit Oberfl-chenriss (Knoop-Riss) (SCF)(prCEN/TS 14425-4)Biegeprfung an einerBiegeprobe, in diedurch einen Hrteein-druck auf der zugbean-spruchten Seite einkleiner, halbkreisfrmi-ger Defekt zunchstaufgebracht und dannbeseitigt wurde.Exakte Kalibrierungenunter der Vorausset-zung, dass sich na