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Near-application testing of ceramics under proportional and non-proportional loading*

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Veröffentlicht/Copyright: 28. Mai 2013
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Materials Testing
Aus der Zeitschrift Materials Testing Band 48 Heft 1-2

Abstract

The use of ceramic materials in machine parts with multiaxial and non-proportional stresses requires near-application testing to gather parameters for proper strength and lifetime prediction and to reduce the costly testing of prototypes. Therefore, experimental procedures have been developed for testing ceramic specimens with natural flaws under proportional and non-proportional stresses. Testing rings of different diameter ratios under internal pressure allows the estimation of short-term strength, crack growth parameters and of multiaxial failure criteria even with surfaces in “as-fired”-conditions. Assessment numbers, which quantify the influence of failure criteria on test results, are used to compare different experimental setups regarding their ability to reveal failure criteria. An additional setup allows testing with non-proportional stresses and different load sequences. A cylindrical specimen with a necked-down portion is loaded by alternating torque and compressive force to achieve variable mixed-mode-loading on natural cracks in the necking. Test series with alumina and zirconia are in progress and preliminary results are presented.

Kurzfassung

Die Verwendung von keramischen Werkstoffen für Maschinenteile, die mit multiaxialen und nicht-proportionalen Spannungen beansprucht werden, erfordert eine anwendungsnahe Prüfung, um die Parameter für eine angemessene Festigkeits- und Lebensdauervorhersage bestimmen zu können und um die kostenintensive Prüfung von Prototypen reduzieren zu können. Daher wurden experimentelle Prozeduren entwickelt, um keramische Proben mit natürlichen Rissen unter proportionalen und nicht-proportionalen Spannungen prüfen zu können. Ringförmige Probenkörper mit verschiedenen Durchmesser-Verhältnissen erlauben eine Abschätzung der Kurzzeitfestigkeit, der Risswachstumsparameter und die Prüfung von multiaxialen Versagenskriterien, sogar mit “as-fired”-Oberflächenbedingungen. Es wurden Einflusszahlen mit Hilfe derer der Einfluss der Versagenskriterien auf die Versuchsergebnisse quantifiziert werden kann verwendet, um verschiedene Versuchsaufbauten hinsichtlich ihrer Möglichkeiten zur Ermittlung von Versagenskriterien zu vergleichen. Ein weiterer Versuchsaufbau ermöglicht die Prüfung mit nicht-proportionalen Spannungen und verschiedenen Belastungsfolgen. Hierzu wird eine zylindrische Probe mit einer Einschnürung alternierend auf Druck und Torsion beansprucht, um eine variable Mixed-Mode Beanspruchung der natürlichen Anrisse im Einschnürbereich zu erreichen. Erste Ergebnisse aus den Versuchsserien mit Aluminiumoxid und Zirkonoxid werden in diesem Beitrag vorgestellt.

Dr.-Ing. Patrick Scheunemann, geb. 1974, studierte Maschinenbau (FH) an der Uni-GH Siegen. 1994 wechselte er an die Uni-GH Paderborn, Abteilung Meschede und studierte dort die Fachrichtung Konstruktionstechnik. Im Anschluss absolvierte er ein Ergänzungsstudium Maschinenbau an der UNI-GH Paderborn. Von 2000 bis 2004 war er als wissenschaftlicher Mitarbeiter im Arbeitsbereich Konstruktionstechnik I der Technischen Universität Hamburg-Harburg beschäftigt. Seit 2004 ist er Entwicklungsingenieur bei der Still GmbH in Hamburg. 2005 promovierte er zum Thema Verfahren und Vorrichtungen zur Bestimmung von Werkstoffdaten für die Lebensdauerabschätzung keramischer Bauteile.

Prof. Dr.-Ing. Dierk Götz Feldmann, geb. 1940, studierte von 1960 bis 1967 Maschinenbau an der Technischen Hochschule Hannover. 1971 promovierte er mit einem Thema aus der Hydraulik. Nach mehrjähriger Tätigkeit in der Industrie wechselte er 1982 an die Technische Universität Hamburg-Harburg, wo er die Leitung des Arbeitsbereichs Konstruktionstechnik I übernahm.

*

Extended version of a contribution to the 7th International Conference on Biaxial/Multiaxial Fatigue and Fracture (7ICBMFF)

References

1 Fett, T.; Munz, D.: Evaluation of Subcritical Crack Extension under Constant Loading, J. Europ. Ceram. Soc.6 (1990) pp. 67–7210.1016/0955-2219(90)90038-HSuche in Google Scholar

2 Forschungskuratorium Maschinenbau (FKM): FKM-Richtlinie, Rechnerischer Festigkeitsnachweis für Maschinenbauteile, 3. Ausgabe, VDMA-Verlag, Frankfurt (1998)Suche in Google Scholar

3 Richard, H. A.: Bruchvorhersagen bei überlagerter Normal- und Schubbeanspruchung von Rissen, VDI-Forschungsheft Bd. 631, VDI-Verlag, Düsseldorf (1985)Suche in Google Scholar

4 Alpa, G.: On a statistical approach to brittle rupture for multiaxial states of stress, Engineering Fracture Mechanics195 (1984), pp. 881–90110.1016/0013-7944(84)90168-1Suche in Google Scholar

5 Scheunemann, P.: The influence of failure criteria on strength prediction of ceramic components, J. Europ. Ceram. Soc.24 (2004), pp. 2181–218610.1016/S0955-2219(03)00634-4Suche in Google Scholar

Published Online: 2013-05-28
Published in Print: 2006-02-01

© 2006, Carl Hanser Verlag, München

Artikel in diesem Heft

  1. Inhalt/Contents
  2. Inhalt
  3. DGZfP-Mitteilungen
  4. Organschaft
  5. Fachbeiträge/Technical Contributions
  6. Der Normenausschuss Materialprüfung (NMP) im DIN, Deutsches Institut für Normung e.V. – Ein Porträt
  7. Normung auf dem Gebiet der zerstörungsfreien Prüfung
  8. Challenges in developing a general constitutive relation for cyclic loading*
  9. Near-application testing of ceramics under proportional and non-proportional loading*
  10. On the use of the modified Wöhler Curve Method to estimate notch fatigue limits*
  11. Multiaxial mixed-mode cracking – small crack initiation and propagation*
  12. Biaxial thermomechanical fatigue on a 304L-type austenitic stainless steel*
  13. Lifetime calculation under multiaxial random loading with regard to microcrack growth*
  14. Vorschau/Preview
  15. Vorschau
https://doi.org/10.3139/120.100708

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  1. Inhalt/Contents
  2. Inhalt
  3. DGZfP-Mitteilungen
  4. Organschaft
  5. Fachbeiträge/Technical Contributions
  6. Der Normenausschuss Materialprüfung (NMP) im DIN, Deutsches Institut für Normung e.V. – Ein Porträt
  7. Normung auf dem Gebiet der zerstörungsfreien Prüfung
  8. Challenges in developing a general constitutive relation for cyclic loading*
  9. Near-application testing of ceramics under proportional and non-proportional loading*
  10. On the use of the modified Wöhler Curve Method to estimate notch fatigue limits*
  11. Multiaxial mixed-mode cracking – small crack initiation and propagation*
  12. Biaxial thermomechanical fatigue on a 304L-type austenitic stainless steel*
  13. Lifetime calculation under multiaxial random loading with regard to microcrack growth*
  14. Vorschau/Preview
  15. Vorschau
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