DIN EN 13234-2007 de 4257 Advanced technical ceramics - Mechanical properties of ceramic composites at ambient temperature - Evaluation of the resistance to crack propagation by no.pdf

1、Januar 2007DEUTSCHE 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!,pxz“9778587www.din.deDDIN EN 1323

2、4Hochleistungskeramik Mechanische Eigenschaften von keramischen Verbundwerkstoffen beiUmgebungstemperatur Beurteilung der Rissausbreitungsbestndigkeit durch dieKerbempfindlichkeitsprfung;Deutsche Fassung EN 13234:2006Advanced technical ceramics Mechanical properties of ceramic composites at ambient

3、temperature Evaluation of the resistance to crack propagation by notch sensitivity testing;German version EN 13234:2006Cramiques techniques avances Proprits mcaniques des cramiques composites temprature ambiante Evaluation de la rsistance la propagation de fissure par un essai de sensibilit lentaill

4、e;Version allemande EN 13234:2006Alleinverkauf der Normen durch Beuth Verlag GmbH, 10772 BerlinErsatz frDIN V ENV 13234:1999-01www.beuth.deGesamtumfang 16 SeitenDIN EN 13234:2007-01 2 Nationales Vorwort Dieses Dokument (EN 13234:2006) wurde vom Technischen Komitee CEN/TC 184 Hochleistungskeramik“ er

5、arbeitet, dessen Sekretariat vom BSI (Vereinigtes Knigreich) gehalten wird. Zu EN 13234 gibt es kein Arbeitsgremium im DIN, da seitens der deutschen Fachffentlichkeit kein Interesse an diesem Normungsthema bekundet wurde. nderungen Gegenber DIN V ENV 13234:1999-01 wurden folgende nderungen vorgenomm

6、en: a) Umwandlung der Vornorm in eine Europische Norm; b) die wesentlichsten nderungen wurden in den Normativen Verweisungen vorgenommen, so wurde in 6.1.1 die Verweisung auf EN 10002-2 in EN ISO 7500-1 gendert und in 6.2 die Verweisung auf WI 136 gestrichen; c) geringfgige redaktionelle berarbeitun

7、g. Frhere Ausgaben DIN V ENV 13234: 1999-01 EUROPISCHE NORM EUROPEAN STANDARD NORME EUROPENNE EN 13234 Oktober 2006 ICS 81.060.30 Ersatz fr ENV 13234:1998 Deutsche Fassung Hochleistungskeramik Mechanische Eigenschaften von keramischen Verbundwerkstoffen bei Umgebungstemperatur Beurteilung der Rissau

8、sbreitungsbestndigkeit durch die Kerbempfindlichkeitsprfung Advanced technical ceramics Mechanical properties of ceramic composites at ambient temperature Evaluation of the resistance to crack propagation by notch sensitivity testing Cramiques techniques avances Proprits mcaniques des cramiques comp

9、osites temprature ambiante Evaluation de la rsistance la propagation de fissure par un essai de sensibilit lentaille Diese Europische Norm wurde vom CEN am 11. September 2006 angenommen. Die CEN-Mitglieder sind gehalten, die CEN/CENELEC-Geschftsordnung zu erfllen, in der die Bedingungen festgelegt s

10、ind, unter denendieser Europischen Norm ohne jede nderung der Status einer nationalen Norm zu geben ist. Auf dem letzten Stand befindliche Listen dieser nationalen Normen mit ihren bibliographischen Angaben sind beim Management-Zentrum oder bei jedem CEN-Mitglied auf Anfrage erhltlich. Diese Europis

11、che Norm besteht in drei offiziellen Fassungen (Deutsch, Englisch, Franzsisch). Eine Fassung in einer anderen Sprache, die von einem CEN-Mitglied in eigener Verantwortung durch bersetzung in seine Landessprache gemacht und dem Management-Zentrum mitgeteilt worden ist, hat den gleichen Status wie die

12、 offiziellen Fassungen. CEN-Mitglieder sind die nationalen Normungsinstitute von Belgien, Dnemark, Deutschland, Estland, Finnland, Frankreich, Griechenland,Irland, Island, Italien, Lettland, Litauen, Luxemburg, Malta, den Niederlanden, Norwegen, sterreich, Polen, Portugal, Rumnien, Schweden, der Sch

13、weiz, der Slowakei, Slowenien, Spanien, der Tschechischen Republik, Ungarn, dem Vereinigten Knigreich und Zypern.Management-Zentrum: rue de Stassart, 36 B-1050 Brssel 2006 CEN Alle Rechte der Verwertung, gleich in welcher Form und in welchem Verfahren, sind weltweit den nationalen Mitgliedern von CE

14、N vorbehalten.Ref. Nr. EN 13234:2006 DEUROPISCHES KOMITEE FR NORMUNGEUROPEAN COMMITTEE FOR STANDARDIZATIONCOMIT EUROPEN DE NORMALISATIONEN 13234:2006 (D) 2 Inhalt Seite Vorwort 3 1 Anwendungsbereich .4 2 Normative Verweisungen4 3 Kurzbeschreibung .4 4 Bedeutung und Anwendung.5 5 Begriffe und Symbole

15、6 6 Gerte7 6.1 Prfmaschine .7 6.2 Krafteinleitungssystem .7 6.3 Datenerfassungssystem .8 6.4 Messschrauben8 6.5 Einrichtung zum Messen der Steggre.8 7 Probekrper8 7.1 Ungekerbte Probekrper.8 7.2 Gekerbte Probekrper.8 7.3 Kerben.9 8 Vorbereitung der Probekrper 10 8.1 Bearbeitung und Vorbereitung 10 8

16、.2 Anzahl der Probekrper . 10 9 Durchfhrung 10 9.1 Prfung an einem Vergleichsprobekrper. 10 9.2 Prfung an einem gekerbten Probekrper. 10 10 Auswertung . 11 10.1 Herkunft des Probekrpers . 11 10.2 Zugfestigkeit von ungekerbten Probekrpern. 11 10.3 Zugfestigkeit von gekerbten Probekrpern . 11 10.4 Auf

17、stellen der Kerbempfindlichkeits-Kurve. 12 10.5 Berechnung der quivalenten Bruchzhigkeit fr die unterschiedlichen Verhaltensklassen 12 11 Prfbericht. 13 Literaturhinweise . 14 EN 13234:2006 (D) 3 Vorwort Dieses Dokument (EN 13234:2006) wurde vom Technischen Komitee CEN/TC 184 Hochleistungs-keramik“

18、erarbeitet, dessen Sekretariat vom BSI gehalten wird. Diese Europische Norm muss den Status einer nationalen Norm erhalten, entweder durch Verffentlichung eines identischen Textes oder durch Anerkennung bis April 2007, und etwaige entgegenstehende nationale Normen mssen bis April 2007 zurckgezogen w

19、erden. Dieses Dokument ersetzt ENV 13234:1998. CEN/TC 184 hat beschlossen, ENV 13234 in eine Europische Norm zu berfhren. Die wesentlichsten nderungen wurden wie folgt in den Normativen Verweisungen vorgenommen: in 6.1.1: Verweisung auf EN 10002-2 wurde gendert in Verweisung auf EN ISO 7500-1; in 6.

20、2: Verweisung auf WI 136 wurde gestrichen. Entsprechend der CEN/CENELEC-Geschftsordnung sind die nationalen Normungsinstitute der folgenden Lnder gehalten, diese Europische Norm zu bernehmen: Belgien, Dnemark, Deutschland, Estland, Finnland, Frankreich, Griechenland, Irland, Island, Italien, Lettlan

21、d, Litauen, Luxemburg, Malta, Niederlande, Norwegen, sterreich, Polen, Portugal, Rumnien, Schweden, Schweiz, Slowakei, Slowenien, Spanien, Tschechische Republik, Ungarn, Vereinigtes Knigreich und Zypern. EN 13234:2006 (D) 4 1 Anwendungsbereich Dieses Dokument legt ein Verfahren fr die Klassifizierun

22、g von Verbundwerkstoffen mit keramischer Matrix (CMC) nach ihrer Rissausbreitungsempfindlichkeit unter Anwendung von Zugversuchen an gekerbten Probekrpern mit unterschiedlicher Kerbtiefe fest. Es knnen zwei Klassen von Verbundwerkstoffen mit keramischer Matrix unterschieden werden: Werkstoffe, deren

23、 Festigkeit durch das Vorliegen von Kerben beeinflusst wird, und Werkstoffe, deren Festigkeit durch das Kerben nicht beeintrchtigt wird. Fr empfindliche Werkstoffe wird in diesem Dokument ein Verfahren zur Bestimmung einer quivalenten Bruchzhigkeit festgelegt. Der Parameter Keqist definiert als die

24、Bruchzhigkeit eines homogenen Werkstoffes, der die gleiche Empfindlichkeit hinsichtlich der Rissausbreitung aufweist wie der zu untersuchende Verbundwerkstoff mit keramischer Matrix. Die Definition von Keqbietet die Mglichkeit des Vergleichs von Verbundwerkstoffen mit keramischer Matrix mit anderen

25、Werkstoffen in Bezug auf die Rissausbreitungsempfindlichkeit. Auf kerbunempfindliche Werkstoffe ist das Konzept von Keqnicht anwendbar. Dieses Dokument ist auf alle endlosfaserverstrkten Verbundwerkstoffe mit keramischer Matrix mit unidi-rektionaler (1D), bidirektionaler (2D) und multidirektionaler

26、(xD, wobei 2 x 3) Verstrkung anwendbar, bei denen die Beanspruchung entlang einer der Verstrkungs-Hauptachsen erfolgt. 2 Normative Verweisungen Die folgenden zitierten Dokumente sind fr die Anwendung dieses Dokuments erforderlich. Bei datierten Verweisungen gilt nur die in Bezug genommene Ausgabe. B

27、ei undatierten Verweisungen gilt die letzte Ausgabe des in Bezug genommenen Dokuments (einschlielich aller nderungen). EN 658-1, Hochleistungskeramik Mechanische Eigenschaften von keramischen Verbundwerkstoffen bei Raumtemperatur Teil 1: Bestimmung der Eigenschaften unter Zug EN ISO 7500-1, Metallis

28、che Werkstoffe Prfung von statischen einachsigen Prfmaschinen Teil 1: Zug- und Druckprfmaschinen Prfung und Kalibrierung der Kraftmesseinrichtung (ISO 7500-1:2004) ISO 3611, Micrometer callipers for external measurement 3 Kurzbeschreibung An doppelseitig gekerbten Probekrpern mit unterschiedlichen K

29、erbtiefen werden Zugversuche durchgefhrt. Die Ergebnisse dieser Versuche werden mit den Ergebnissen von Zugversuchen an ungekerbten Probe-krpern verglichen. Die Mae des Querschnitts von gekerbten Probekrpern zwischen den Kerben sind gleich den Maen von ungekerbten Probekrpern. Die bei beiden Probekr

30、pertypen beobachteten Werte fr die Festigkeit als Funktion der Kerbtiefe ermglichen die Bestimmung des Bereichs der Kerbgre, in dem der untersuchte Verbundwerkstoff empfindlich gegen das Vorliegen von Kerben ist. EN 13234:2006 (D) 5 4 Bedeutung und Anwendung Die Bruchzhigkeit ist eine Materialeigens

31、chaft, die die Einleitung eines Bruchs von einem deutlichen Riss (der gewhnlich von einem Ermdungsriss unter den Bedingungen der ebenen Dehnung erhalten wird) charakterisiert. Die Bruchzhigkeit eines Werkstoffs bei Einsatz der Rissausbreitung von einem bereits vorliegenden Ermdungsriss wird durch de

32、n Wert eines der folgenden Parameter charakterisiert: i) KIc, ein kritischer Wert von KI(der Spannungsintensittsfaktor des elastischen Spannungsfeldes in der Nhe der Rissfront) im Moment des Beginns der instabilen Rissausbreitung; ii) GIc, ein kritischer Wert von GI(die Dehnungsenergiefreisetzungsra

33、te bei der Rissausbreitung je Flcheneinheit neu erzeugter Rissoberflche) im Moment des Beginns der instabilen Rissausbreitung; iii) JIc, ein kritischer Wert von JI(ein Kurven- oder Flchenintegral zur Charakterisierung des lokalen Spannungs-Dehnungs-Feldes um die Rissfront) beim Einsetzen der stabile

34、n Rissausbreitung. Das J-Integral spielt eine bedeutende Rolle in der nichtlinearen Bruchmechanik. Es gilt fr Krper mit nichtlinear-elastischem Verhalten, whrend die linear-elastische Bruchmechanik (KIcund GIc) fr Krper mit linear-elastischem Verhalten gilt. In faserverstrkten Verbundwerkstoffen mit

35、 keramischer Matrix treten aus folgenden Grnden Probleme bei der Bestimmung und Definition von KIc, GIcund JIcauf: 1) CMC sind im Allgemeinen sehr heterogen und bestehen aus mehreren Bestandteilen (aus Fasern und Matrix); sie enthalten Poren und Risse; 2) bei einigen CMC entsteht, bevor der endgltig

36、e Bruch eintritt, vor einer Kerbe eine Schadenszone mit Mehrfachrissen in der Matrix; 3) die zugehrigen Verformungen sind nicht linear. Die Kurve Kraft gegen Verschiebung der Belastungslinie aus einer bis zum Bruch durchgefhrten Prfung an einem gekerbten Probekrper enthlt einen nichtlinearen Bereich

37、, der durch diffuse Mikrorissbildung in der Matrix an der Kerbfront bedingt ist. Die Schadenszone liegt im Millimeter- bis Zentimeterbereich (d. h. sie entspricht einem oder mehreren Durchmesser(n) des Faserbndels). Bei der Hchstlast wird durch den zuflligen Bruch von Fasern innerhalb des Faserbndel

38、s in der Schadenszone ein makroskopischer Riss erzeugt. Die Rissausbreitung in CMC ergibt sich folglich nicht wie bei monolithischen Werkstoffen aus dem Mechanismus der Ausdehnung eines einzigen makroskopischen Risses. Wegen des Vorliegens der Schadenszone und wegen der heterogenen Mikrostruktur unt

39、erscheidet sich die Spannungsverteilung in der Schadenszone von der Spannungsverteilung, die vor der Rissfront in Krpern mit linear-elastischem Verhalten erzeugt wird. Der Parameter KIbeschreibt nicht das Spannungsfeld im Bereich vor der Rissfront. Ein kritischer Wert KIckann nicht definiert werden.

40、 Die grte Schwierigkeit bei der Bestimmung der Dehnungsenergiefreisetzungsrate GIsowie des J-Integrals ergibt sich aus dem Vorhandensein einer Zone mit Mikrorissen an der Kerbfront (die im Vergleich mit den Maen des Probekrpers nicht klein ist) und der zackigen Oberflche des makroskopischen Risses.

41、Folglich kann eine Zunahme der Risslnge weder einfach definiert noch gemessen werden. Zugversuche an Probekrpern mit Lchern oder Kerben haben gezeigt, dass viele CMC ber einen bestimmten Kerbgrenbereich relativ kerbunempfindlich sind. Die auf den Nutzquerschnitt bezogene Bruch-spannung betrgt im All

42、gemeinen 80 % bis 100 % der Festigkeit von Probekrpern ohne Kerben. Die Kerb-unempfindlichkeit resultiert aus einer Spannungsrelaxation an der Kerbfront durch Entstehen der Schadens-zone. Folglich unterliegen die Fasern in der Schadenszone Spannungen, die grenmig mit den Spannungen auerhalb des Kerb

43、bereichs vergleichbar sind. EN 13234:2006 (D) 6 Ein Ma fr die Kerbempfindlichkeit bei einer bestimmten Kerbtiefe ist der Quotient aus den Bruchspannun-gen fr eine gekerbte Zugprobe (n) und eine entsprechende nicht gekerbte Zugprobe (r). a) bei n rist der Verbundwerkstoff kerbempfindlich; b) bei n r

44、ist der Verbundwerkstoff kerbunempfindlich. Das Spannungsverhltnis n/rist ein fr die Konstruktion von Bauteilen ntzlicher Parameter. Er ermglicht die Auswahl von Verbundwerkstoffen, die gegen Kerben, Lcher usw. unempfindlich sind. Fr Werkstoffvergleiche wird eine quivalente Bruchzhigkeit Keqfr den K

45、erbtiefenbereich festgelegt, fr den das Spannungsverhltnis kleiner als 1 ist. Keqist die Bruchzhigkeit eines quivalenten homogenen monolithischen Werkstoffs mit der gleichen Kerb-empfindlichkeit wie der entsprechende Verbundwerkstoff. Keqwird aus der Abhngigkeit des Spannungs-verhltnisses n/rvon der

46、 Kerbtiefe errechnet, indem Gleichungen aus der linear-elastischen Bruchmechanik angewendet werden. Im Bereich der Kerbtiefen, bei denen der CMC kerbempfindlich ist, ergibt die Berechnung der quivalenten Bruchzhigkeit fr die unterschiedlichen Kerbtiefen blicherweise keinen Einzelwert fr Keq. Aus kon

47、ser-vativen Grnden wird der kleinste Wert verwendet. Fr einige CMC wurde bei zunehmender Kerbtiefe ein bergang von kerbunempfindlichem zu kerbempfind-lichem Verhalten beobachtet. Die Bestimmung der quivalenten Bruchzhigkeit wird nicht empfohlen, wenn der Bereich fr die Kerbunempfindlichkeit den Kerb

48、tiefen-Mindestwert (1 mm) berschreitet. ANMERKUNG Zustzliche Prfungen bei unterschiedlichen Kerbtiefen knnen durchgefhrt werden, um ein umfassen-deres Verstndnis des Kerbtiefenbereichs, bei dem der CMC kerbunempfindlich ist, zu erreichen. 5 Begriffe und Symbole Fr die Anwendung dieses Dokuments gelt

49、en die Begriffe nach EN 658-1 und die folgenden Begriffe. 5.1 Steg Teil des zweiseitig gekerbten Probekrpers, der zwischen den Kerben liegt. Die Breite des Stegs wird mit b, sein Querschnitt mit A bezeichnet 5.2 Kerbtiefe a Abstand zwischen seitlicher Probekrperflche und Kerbspitze 5.3 Breite des gekerbten Probekrpers