DIN 51105-2010 Advanced technical ceramics - Mechanical properties of monolithic ceramics at room temperature - Determination of flexural strength by the ring-on-ring test《高级工业陶瓷 室.pdf

1、August 2010DEUTSCHE NORM Normenausschuss Materialprfung (NMP) im DINPreisgruppe 10DIN Deutsches Institut fr Normung e.V. Jede Art der Vervielfltigung, auch auszugsweise, nur mit Genehmigung des DIN Deutsches Institut fr Normung e.V., Berlin, gestattet.ICS 81.060.30!$f11“1671414www.din.deDDIN 51105Ho

2、chleistungskeramik Mechanische Eigenschaften monolithischer Keramik beiRaumtemperatur Bestimmung der Doppelring-BiegefestigkeitAdvanced technical ceramics Mechanical properties of monolithic ceramics at room temperature Determination of flexural strength by the ring-on-ring testCramiques techniques

3、avances Proprits mcaniques des cramiques monolithiques temprature ambiante Dtermination de la rsistance la flexion laide de doubles anneauxAlleinverkauf der Normen durch Beuth Verlag GmbH, 10772 Berlin www.beuth.deGesamtumfang 16 SeitenDIN 51105:2010-08 Inhalt Seite Vorwort 3 1 Anwendungsbereich .4

4、2 Normative Verweisungen4 3 Begriffe .4 4 Kurzbeschreibung .4 5 Bedeutung und Anwendung.5 6 Gerte5 6.1 Prfmaschine .5 6.2 Belastungseinrichtung6 6.3 Lngenmessgert 7 6.4 Temperatur- und Feuchtemessgert .7 7 Probekrper7 7.1 Allgemeines7 7.2 Mae und Grenzabmae .8 7.3 Oberflchen-Endbearbeitung .9 7.4 Vo

5、rsichtsmanahmen .11 8 Durchfhrung.11 9 Berechnungen12 10 Prfbericht13 Anhang A (informativ) Typische Bruchmuster von keramischen Probekrpern nach einer Doppelring-Biegeprfung .14 Literaturhinweise 16 Bilder Bild 1 Beispiel einer Prfanordnung zur Bestimmung der Doppelring-Biegefestigkeit.6 Bild 2 Pro

6、bekrper fr die Doppelring-Biegeprfung in Draufsicht und Seitenansicht.8 Bild A.1 Typische Bruchmuster in keramischen Doppelring-Biegeproben.15 Tabelle Tabelle 1 Mae und Grenzabmae des Probekrpers .8 2 DIN 51105:2010-08 Vorwort Dieses Dokument (DIN 51105:2010-08) wurde vom Arbeitsausschuss NA 062-02-

7、91 AA Hochleistungs-keramik Monolithische Werkstoffe“ im Normenausschuss Materialprfung (NMP) erarbeitet. 3 DIN 51105:2010-08 1 Anwendungsbereich Dieses Dokument legt ein Verfahren zur Bestimmung der nominellen Doppelring-Biegefestigkeit mittels Doppelring-Biegeprfung von monolithischen keramischen

8、Hochleistungswerkstoffen bei Raumtemperatur fest. Dieses Dokument gilt fr Werkstoffe mit einer Korngre kleiner 100 m. 2 Normative Verweisungen Die folgenden zitierten Dokumente sind fr die Anwendung dieses Dokuments erforderlich. Bei datierten Verweisungen gilt nur die in Bezug genommene Ausgabe. Be

9、i undatierten Verweisungen gilt die letzte Ausgabe des in Bezug genommenen Dokuments (einschlielich aller nderungen). DIN EN 623-4, Hochleistungskeramik Monolithische Keramik Allgemeine und strukturelle Eigen-schaften Teil 4: Bestimmung der Oberflchenrauheit DIN EN 843-5, Hochleistungskeramik Mechan

10、ische Eigenschaften monolithischer Keramik bei Raum-temperatur Teil 5: Statistische Auswertung E DIN EN ISO 3611, Geometrische Produktspezifikation (GPS) Lngenmessgerte Bgelmess-schrauben; Konstruktionsmerkmale und messtechnische Merkmale DIN EN ISO 7500-1, Metallische Werkstoffe Prfung von statisch

11、en einachsigen Prfmaschinen Teil 1: Zug- und Druckprfmaschinen Prfung und Kalibrierung der Kraftmesseinrichtung DIN EN ISO/IEC 17025, Allgemeine Anforderungen an die Kompetenz von Prf- und Kalibrierlaboratorien ISO 4677-1, Atmospheres for conditioning and testing Determination of relative humidity P

12、art 1: Aspirated psychrometer method ISO 4677-2, Atmospheres for conditioning and testing Determination of relative humidity Part 2: Whirling psychrometer method 3 Begriffe Fr die Anwendung dieses Dokuments gilt der folgende Begriff. 3.1 Doppelring-Biegefestigkeit rrhchste nominelle Randfaserspannun

13、g, der der Werkstoff im Moment des Bruches standhlt, wenn dieser einer linear-elastischen quibiaxialen Biegebeanspruchung in der Doppelring-Biegeprfung ausgesetzt wird ANMERKUNG Die Doppelring-Biegeprfung wird hufig auch als biaxiale Biegeprfung, quibiaxiale Biegeprfung oder zweiaxiale Biegeprfung b

14、ezeichnet (siehe auch 1). Diese Bezeichnungen sollten jedoch nicht ohne den Hinweis auf die Doppelring-Prfanordnung verwendet werden, da es eine Reihe von anderen Prfanordnungen gibt, fr die diese Bezeichnungen auch benutzt werden bzw. benutzt werden knnen, z. B. bei der Kugel-auf-Drei-Kugel-Prfung,

15、 Stempel-auf-Drei-Kugel-Prfung, Kugel-auf-Ring-Prfung, Stempel-auf-Ring-Prfung. 4 Kurzbeschreibung Eine runde scheibenfrmige Probe mit konstanter Dicke wird zwischen zwei konzentrisch zueinander angeordneten koaxialen Ringen unterschiedlichen Durchmessers gelegt und durch axiales Zusammen-drcken der

16、 Ringe beansprucht. Aus der Kraft, die zum Bruch der Probe fhrt, den Probenmaen, den Maen der Belastungseinrichtung und der Poissonschen Querkontraktionszahl des Werkstoffes wird die Doppelring-Biegefestigkeit berechnet. 4 DIN 51105:2010-08 5 Bedeutung und Anwendung Das in diesem Dokument festgelegt

17、e Prfverfahren ist zur Anwendung im Bereich der Werkstoffentwicklung, Werkstoffcharakterisierung und Qualittskontrolle sowie zur Gewinnung von konstruktiven Kenndaten vorge-sehen. Die Doppelring-Biegefestigkeit wird nach diesem Dokument durch eine linear-elastische Biegung einer runden, scheibenfrmi

18、gen, dnnen Platte unter der Annahme bestimmt, dass der geprfte Werkstoff homogen, elastisch und isotrop ist und lineares (Hookesches) Spannungs-Dehnungsverhalten zeigt. Das durch eine Festigkeitsprfung erhaltene Ergebnis wird von einer Vielzahl von Faktoren wie der Mikrostruktur des Werkstoffs, dem

19、bei der Vorbereitung der Probekrper angewendeten Oberflchen-Bearbeitungsverfahren, der Gre und Form des Probekrpers, der mechanischen Funktionsweise der Prfeinrichtung, der Beanspruchungsrate und der relativen Luftfeuchte der Prfatmosphre beeinflusst. Wegen des Sprdbruchverhaltens keramischer Werkst

20、offe tritt im Allgemeinen bei der Charakterisierung einer Reihe von an sich gleichen Probekrpern eine deutliche Streuung der Einzelergebnisse auf. Das Zusammenwirken dieser Einflussfaktoren erfordert Vorsicht bei der Interpretation der Prfergebnisse. Fr viele Anwendungen und nach den Festlegungen in

21、 diesem Dokument knnen die Ergebnisse von Festigkeitsprfungen in Form des Mittelwerts und der Standardabweichung angegeben werden. Eine darber hinausgehende statistische Auswertung der Ergebnisse ist fr die Gewinnung von konstruktiven Daten erforderlich und kann auch fr andere Anwendungen wnschenswe

22、rt sein (siehe DIN EN 843-5). Dieses Dokument legt eng vorgegebene Grenzen zur Form und Gre der Probekrper und Funktionsweise der Prfeinrichtung fest, um Fehlermglichkeiten bei der Durchfhrung der Prfung zu minimieren. ANMERKUNG Grundlagen fr die Auswahl von Maen und Grenzabmaen der Probekrper und f

23、r Anforderungen an die Belastungseinrichtung, siehe DIN ISO 6474, ASTM C 1499 und 1. Alle brigen Prfbedingungen werden im Prfbericht (siehe Abschnitt 10) angegeben, um einen Vergleich des Werkstoffverhaltens zu ermglichen. Es ist nicht sinnvoll, eine ganz bestimmte Oberflchen-Endbearbeitung festzule

24、gen, da zu erwarten ist, dass diese nicht fr alle Werkstoffe gleich gut geeignet ist. Mit der Einbeziehung eines Standard-Verfahrens fr die Bearbeitung eines Probekrpers im gesinterten Zustand (siehe 7.3) in das hier festgelegte Verfahren als eine der Mglichkeiten fr die Oberflchen-Endbearbeitung wi

25、rd ein Hilfsmittel geschaffen, mit dem bei verschiedenen Werkstoffen ein Minimum an bleibender Schdigung des Werkstoffs beim Schleifen erzielbar ist. ACHTUNG Die bertragung von nach diesem Dokument bestimmten Festigkeitswerten auf andere Probekrper-Geometrien, einaxiale Beanspruchung, andere Beanspr

26、uchungsraten oder andere Umge-bungsbedingungen sollte nur mit Vorsicht in Betracht gezogen werden. Die Kenntnis des Ursprungs eines Bruches bei der Doppelring-Biegeprfung kann eine wertvolle Hilfe bei der Beurteilung der Art und Lage von die Festigkeit bestimmenden Fehlern sein. Dringend empfohlen w

27、ird eine Bruchflchenanalyse der Probekrper (siehe ASTM C 1499, 1 und 2). Im Besonderen kann damit geklrt werden, ob es sich bei den bruchauslsenden Fehlern um durch die Prparation verursachte Kanten- oder Oberflchenfehler oder um Werkstoffdefekte, z. B. durch bei der Herstellung entstandene Inhomoge

28、nitten wie Poren, grobe Krner, Anhufung von Verunreinigungen, handelt. Eine zuverlssige Bruchflchenanalyse ist jedoch nicht bei allen keramischen Hochleistungswerkstoffen mglich. 6 Gerte 6.1 Prfmaschine Die Prfmaschine muss in der Lage sein, eine Kraft, z. B. ber eine Kugel oder ein geeignetes Gelen

29、k, auf den Belastungsring derart aufzubringen, dass die Kraftachse senkrecht zu den Stirnflchen des Probekrpers wirkt und sowohl der Belastungsring als auch der Auflagering flchig an den Stirnflchen des Probekrpers anliegen. Die Prfmaschine muss geeignet sein, die Kraft stofrei und kraft- oder wegge

30、regelt aufzubringen. Sie muss eine Messeinrichtung zum Aufzeichnen der auf den Probekrper aufgebrachten Hchstkraft besitzen. Die Genauigkeit der Prfmaschine muss in bereinstimmung mit DIN EN ISO 7500-1, Klasse 1, sein. 5 DIN 51105:2010-08 6.2 Belastungseinrichtung Die Belastungseinrichtung fr die Do

31、pplering-Biegeprfung muss in der Lage sein, die nachstehend beschriebenen Prfbedingungen einzuhalten, um eine Fehlausrichtung und Reibungsbeanspruchungen des Probekrpers zu minimieren. ANMERKUNG 1 Die eigentliche konstruktive Ausfhrung der Belastungseinrichtung wird nicht festgelegt, sondern nur der

32、en Funktionsweise. Im Bild 1 ist eine Prfanordnung zur Bestimmung der Doppelring-Biegefestigkeit schematisch dargestellt. Legende 1 Belastungsring 4 Gummifolie unter der Probe 2 dnne Klebefolie auf der Probe 5 Auflagering 3 Probe d1Kontaktdurchmesser des Belastungsringes F aufgebrachte Kraft d2Konta

33、ktdurchmesser des Auflagerringes r Kontaktradius D Probendurchmesser Bild 1 Beispiel einer Prfanordnung zur Bestimmung der Doppelring-Biegefestigkeit Die Belastungseinrichtung muss aus zwei Ringen bestehen, dem Auflagering (gro) und dem Belastungs-ring (klein) mit unterschiedlichen Durchmessern, wie

34、 in Bild 1 schematisch dargestellt. 6 DIN 51105:2010-08 Folgende Standardmae mssen eingehalten werden: Kontaktdurchmesser des Belastungsringes, d1: (12 0,1) mm; Kontaktdurchmesser des Auflageringes, d2: (30 0,1) mm; Radius der Ringe im Bereich des Kontakts mit dem Probekrper, r: (2 0,2) mm. ANMERKUN

35、G 2 Diese Standard-Belastungseinrichtung wird bereits seit Jahrzehnten fr die Festigkeitscharak-terisierung von keramischen Hochleistungswerkstoffen aus Aluminiumoxid fr chirurgische Implantate verwendet (siehe DIN ISO 6474). Die Belastungseinrichtung muss ber Zentriermglichkeiten verfgen, die eine

36、zentrierte Anordnung von Belastungsring, Probekrper und Auflagering auf einer gemeinsamen Achse innerhalb 0,2 mm sicherstellt. Entweder der Auflagering oder der Belastungsring muss an den Stempeln der verwendeten Prfma-schine (6.1) derart fixiert sein, dass ein Kippen mglich ist und somit Auflagerin

37、g und Belastungsring auch bei nicht ideal planparallelen Probekrpern flchig aufliegen knnen. Die Ringe mssen aus gehrtetem Stahl mit einer Vickershrte grer 500 HV bzw. einer Rockwellhrte grer 40 HRC oder aus einem anderen mindestens gleichharten Werkstoff (z. B Hartmetall, Keramik) bestehen, um Schd

38、en zu minimieren, die beim Bruch des Probekrpers in den Ringen hervorgerufen werden knnen. Um geringe Abweichungen der Ebenheit der Oberflche des scheibenfrmigen Probekrpers ausgleichen zu knnen, muss zwischen Auflagering und Probekrper eine Gummifolie mit einer Dicke von (0,6 0,1) mm und einer Shor

39、e-A-Hrte von (60 5) lose aufgelegt werden. 6.3 Lngenmessgert Eine Messschraube nach E DIN EN ISO 3611 und mit einer Auflsung 0,1 % des jeweils zu messenden Maes oder eine alternative kalibrierte Einrichtung mit der genannten Auflsung ist fr die Messung der Mae des Probekrpers zu verwenden. BEISPIEL

40、Die erforderliche Auflsung der Lngenmesseinrichtung fr die Bestimmung der Probenhhe betrgt somit 0,002 mm und fr die Bestimmung des Probendurchmessers 0,04 mm. 6.4 Temperatur- und Feuchtemessgert Zur Messung der Lufttemperatur ist ein Messgert mit Fehlergrenzen 1C zu verwenden. Zum Messen der relati

41、ven Luftfeuchte ist ein Messgert mit Fehlergrenzen 5 % zu verwenden, z. B. nach ISO 4677-1 oder ISO 4677-2. 7 Probekrper 7.1 Allgemeines Der Probekrper muss nach einem mit dem Herstellungsverfahren der Bauteile vergleichbaren Verfahren gefertigt werden. Er darf sowohl aus kleineren als auch greren B

42、lcken oder Bauteilen mit den in 7.2. festgelegten Maen und Grenzabmaen herausgearbeitet werden. ANMERKUNG 1 Die Festigkeit vieler monolithischer keramischer Hochleistungswerkstoffe wird erheblich vom Bearbei-tungsprozess beeinflusst, der bei der Herstellung der Probekrper zum Einsatz kommt. Niedrige

43、 Festigkeiten knnen durch eine Schleifbearbeitung mit grobkrnigem Diamantkorn hervorgerufen werden, andererseits sind sehr hohe Festig-keiten durch eine sorgfltige Bearbeitung erzielbar. Einige Werkstoffe, besonders diejenigen, die umwandlungsfhiges Zirconiumoxid enthalten, knnen durch zweckmige Zuo

44、rdnung der Schleifablufe betrchtlich verfestigt werden. Deshalb ist die Festlegung der Bedingungen fr die Oberflchenbearbeitung unerlsslich. 7 DIN 51105:2010-08 Die Druckflche des Probekrpers (d. h. die Stirnflche des Probekrpers, die dem Belastungsring zugewandt ist, siehe Bild 1) ist mit einer dnn

45、en Klebefolie zu bekleben, um einerseits Unebenheiten der Oberflche zumindest geringfgig auszugleichen und andererseits die beim Bruch entstehenden Bruchstcke zusammen-zuhalten. ANMERKUNG 2 Durch das Aufbringen der Klebefolie wird unmittelbar nach der Biegeprfung eine erste visuelle Bruchanalyse erl

46、eichtert. Der Zweck dieser Bruchanalyse besteht darin zu entscheiden, ob der Bruchursprung am oder innerhalb des Bereiches des Belastungsringes (regulrer Bruch) oder auerhalb dieses Bereiches (irregulrer Bruch) liegt. 7.2 Mae und Grenzabmae Die Mae und Grenzabmae des Probekrpers mssen, sofern nicht

47、anders festgelegt, den Angaben in Tabelle 1 und Bild 2 entsprechen. Tabelle 1 Mae und Grenzabmae des Probekrpers Art des Probekrpers Oberflchen-Endbearbeitungs-zustand Parameter Durchmesser D mm Hhe H mm I, II, III (alle Zustnde) Mabereich 36 0,5 2,0 0,1 II, III (bearbeitet) Planparallelitt 0,02 Sta

48、ndardausfhrung I (as-fired) Planparallelitt 0,05 Legende D Durchmesser des Probekrpers H Hhe des Probekrpers a Kanten, scharfkantig, gefast oder abgerundet Bild 2 Probekrper fr die Doppelring-Biegeprfung in Draufsicht und Seitenansicht Die Mantelflche des Probekrpers muss frei von sichtbaren grberen Ausbrchen sein. Sollte dies nicht der Fall sein, dann mssen die Kanten mit einer Fase einer Breite 0,3 mm und einem Fasenwinkel von etwa 45 versehen oder verrundet werden, wobei der Rundungsradius 0,3 mm betra