Bruchmechanik und Ermüdung

Welche Aussage über die Kurve der Ermüdungsrisswachstumsgeschwindigkeit da/dN über der Schwingbreite des Spannungsintensitätsfaktors ΔK im doppeltlogarithmischen Diagramm trifft zu?

  1. ADer mittlere Bereich ist eine Gerade nach dem Paris-Gesetz da/dN = C(ΔK)ᵐ, und unterhalb von ΔK_th wächst der Riss kaum
  2. Bda/dN ist unabhängig von ΔK konstant und wird nur durch die Risslänge und die Streckgrenze des Werkstoffs bestimmt
  3. CMit zunehmendem ΔK wird die Steigung der Geraden kleiner, und nähert sich der maximale Spannungsintensitätsfaktor dem Wert K_IC, kommt das Risswachstum zum Stillstand
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Lösung: A. Der mittlere Bereich ist eine Gerade nach dem Paris-Gesetz da/dN = C(ΔK)ᵐ, und unterhalb von ΔK_th wächst der Riss kaum

Die Kurve gliedert sich gewöhnlich in drei Bereiche. Im unteren Bereich, in dem sich ΔK dem Schwellenwert ΔK_th nähert, nimmt die Wachstumsgeschwindigkeit stark ab, und unterhalb von ΔK_th wächst der Riss praktisch nicht. Der mittlere Bereich ist im doppeltlogarithmischen Diagramm eine Gerade und lässt sich mit dem Paris-Gesetz da/dN = C(ΔK)ᵐ beschreiben; der Exponent m beträgt bei Metallen etwa 2–4. Im oberen Bereich, in dem sich der maximale Spannungsintensitätsfaktor K_max der Bruchzähigkeit K_IC nähert, steigt die Geschwindigkeit stark an und führt zum instabilen Bruch; die Aussage, das Wachstum komme zum Stillstand, kehrt dies um. ΔK = YΔσ√(πa) hängt sowohl von der Spannungsschwingbreite als auch von der Risslänge ab, sodass die Geschwindigkeit nicht allein durch die Risslänge bestimmt wird.

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  1. Das Ermüdungsrisswachstum in einem Stahlblech folgt dem Paris-Gesetz da/dN = C(ΔK)ᵐ (C = 1,0×10⁻¹², da/dN in m/Zyklus, ΔK in MPa·√m, m = 4), und es gilt ΔK = Δσ√(πa) (Geometriefaktor 1). Welcher Wert kommt der Zahl der Schwingspiele am nächsten, in denen der Riss bei einer Spannungsschwingbreite Δσ = 200 MPa von 1,0 mm auf 5,0 mm wächst? ΔK liegt in diesem Bereich (ca. 11–25 MPa·√m) deutlich über dem Schwellenwert und im Gültigkeitsbereich des Paris-Gesetzes.
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