Bruchmechanische Optimierung keramischer Druckschichtsysteme
Final Report Abstract
Ausgangspunkt für das Projekt waren Experimente an Keramiksystemen mit eingebauten Druckeigenspannungen in deren Komponenten. Durch Rissstopp in den Druckschichten besitzen diese laminaren Schichtsysteme einen hohen Schwellenwert für die Festigkeit, unterhalb dessen kein Versagen auftritt. Bei den Versuchen wurde abhängig von Druckeigenspannung und Druckschichtdicke gerade Rissausbreitung und verzweigte Rissausbreitung beobachtet. Außerdem wurde festgestellt, dass die Schwellenwerte bei Rissverzweigung höher als bei gerader Rissausbreitung sind. Interessant für die Optimierung des Schichtsystems ist daher die Fragestellung nach den Bedingungen für die Rissverzweigung in der Druckschicht. Die bisherigen Ergebnisse der Untersuchungen der Verzweigungsbedingung sind nicht zufrieden stellend. Ziel Projektes war es, durch genauere Untersuchung der Verzweigungssituation die Frage zu beantworten, ob und unter welchen Bedingungen ein langsam laufender Riss im Schichtsystem verzweigt. Auf der Grundlage der Untersuchungsergebnisse für die Verzweigungsbedingung sollen keramische Druckschichtsysteme hinsichtlich eines möglichst hohen Schwellenwertes für die Festigkeit optimiert werden. Nach der Bearbeitung des ersten Punktes im Arbeitsprogramm muss festgestellt werden, dass die Rissverzweigung nicht unter quasistatischen Bedingungen stattfinden kann, auch nicht, wenn der Riss in einer Schicht mit einer niedrigeren Bruchzähigkeit eindringt. Das bedeutet, dass der Riss, anders als im Antrag angenommen, während der dynamischen Ausbreitung in der Druckschicht verzeigen muss, bevor er durch die Druckeigenspannungen gestoppt wird. Offensichtlich verzweigt der dynamisch laufende Riss, wenn seine Energie für zwei Rissspitzen reicht. Zwei gegenläufige Effekte beeinflussen, ob der Riss in der Druckschicht verzweigt oder sich gerade ausbreitet. Einerseits wird er infolge der Druckeigenspannungen langsamer. Andererseits wird der SIF mit wachsender Risslänger bei konstanter Last σa größer und die Bruchzähigkeit der Druckschicht KcC ist kleiner als die der Zugschicht, was die Verzweigung fördert. Nach diesen Erkenntnissen muss die Rissverzweigung unter dynamischen Bedingungen untersucht werden. Das Arbeitsprogramm wurde deshalb geändert. Die Bearbeitung des entsprechenden Punktes im Arbeitsprogramm muss aufgeschoben werden, bis die Verzweigungsbedingung bei dynamischer Rissausbreitung aufgeklärt wird. Stattdessen wurde ein zusätzlicher Punkt in das Arbeitsprogramm aufgenommen. Die Simulation der dynamischen Rissausbreitung wurde für die Untersuchung der dynamischen Rissverzweigung vorbereitet. Dazu wurde ein Modul in ANSYS implementiert und an einem Referenzproblem der dynamischen Rissausbreitung in einer DCB-Probe getestet, für das sowohl experimentelle als auch Simulationsergebnisse vorliegen. Bessere Übereinstimmung mit den experimentellen Ergebnissen kann durch das dynamische J-Integral erreicht werden, oder durch singuläre Rissspitzenelemente, was ein Remeshing bei jedem Rissinkrement notwendig macht. Die vorläufigen Ergebnisse des Projektes sind wesentlich für das Verständnis der Rissverzweigung.
