Teilprojekt C7

Das TP C7 befasst sich mit der experimentellen Bestimmung und werkstoffwissenschaftlichen Interpretation der gefügeabhängigen mechanischen Eigenschaften von Ingenieurkeramiken bei komplexen und hochzyklischen mechanischen Beanspruchungen. Schwerpunkt des Teilprojektes ist die Bewertung des Einflusses von Mehrachsigkeit, Temperatur und Umgebungsmedien auf das Versagensverhalten bei Ermüdungsbeanspruchung sowie deren Wechselwirkung mit dem mikrostrukturellen Aufbau. Im Besonderen wird hierbei die Entstehung und Ausbreitung von Ermüdungsrissen betrachtet. Es werden Al₂O₃ und Si₃N₄-basierte Werkstoffe berücksichtigt.

Im TP C7 werden zur Ermittlung des Einflusses mehrachsiger Beanspruchungen überlagerte Zug-Druck-Torsionsversuche durchgeführt. Mit Hilfe der hierbei gewonnenen Erkenntnisse über das Schädigungs- und Versagensverhalten soll ein Mehrachsigkeitskriterium entwickelt werden. Außerdem können Aussagen zum Ermüdungsverhalten ausgehend von natürlichen Defekten gemacht werden. Des Weiteren werden hochzyklische Vier-Punkt-Biegeversuche im Lastspielzahlbereich von 107 bis 109 Lastspielen durchgeführt. Ziel ist es, die bisherigen Erkenntnisse zum Ermüdungsverhalten von Al₂O₃ und Si₃N₄ zu vervollständigen und zu verstehen. Zum generellen Verständnis des Versagensverhaltens von Si₃N₄- und Al₂O₃ werden zyklische Rissausbreitungsversuche durchgeführt. Dabei werden Erkenntnisse zum Rissbildungs- und Rissausbreitungsverhalten unter zyklischer Beanspruchung erwartet. Von Mode I- über Mode II- bis hin zu Mixed-Mode-Belastungen werden die Einflüsse verschiedenster komplexer Spannungszustände auf das zyklische Rissausbreitungsverhalten simuliert.

Die bisherigen Ergebnisse aus zyklischen Torsionsversuchen bestätigen eindeutig einen Einfluss zweiachsiger Spannungszustände auf das zyklische Ermüdungsverhalten von Al₂O₃. Diese Erkenntnisse fließen mit in die Entwicklung eines Mehrachsigkeitskriteriums für keramische Bauteile unter zyklischer Beanspruchung ein. In vorangegangenen Untersuchungen wurde das hochzyklische thermische Ermüdungsverhalten von Si₃N₄ bei Maximaltemperaturen bis 800 °C untersucht. Dabei wurden die Versuchsbedingungen denen eines Warmwalzprozesses für Drähte angepasst. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen zeigen, dass kein spezieller Schädigungsmechanismus bezüglich thermischer Ermüdung bei Maximaltemperaturen bis 800 °C und Zyklenzahlen bis 106 Zyklen für Si₃N₄ existiert. Diese Erkenntnis spielt bei der Auslegung und Optimierung keramischer Walzsysteme eine wichtige Rolle. In zyklischen Vier-Punkt-Biegeversuchen wurde der Einfluss hoher Temperaturen auf das Ermüdungsverhalten von Si₃N₄ untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass ein zyklischer Ermüdungseffekt wie er bei Raumtemperatur eindeutig nachgewiesen ist, bei 800 °C und Lastspielzahlen bis 107 nicht auftritt. Das Ermüdungsverhalten bei höheren Lastspielzahlen soll in der kommenden Förderungsphase untersucht werden. Außerdem konnte ein starker lebensdauerreduzierender Einfluss von destilliertem Wasser nachgeweisen werden.