Belastbarkeit und Festigkeitsprüfung von technischer Keramik

Bestimmung

Festigkeitsbestimmung um die Belastbarkeit von Keramik zu beurteilen

Keramiken sind spröde Werkstoffe. Bei mechanischer Belastung verformen sie sich zunächst elastisch, bei steigender Belastung erfolgt jedoch keine plastische Deformation, sondern der fatale Bruch.

Die Zugfestigkeit stellt dabei die kritische Eigenschaft keramischer Werkstoffe dar. Aufgrund des enormen Präparationsaufwandes, findet die Prüfung dieser Kenngröße nur im akademischen Rahmen statt. In der Praxis kommt in erster Linie die Prüfung der Biegefestigkeit einer Keramik zum Einsatz. Dabei führen Zugspannungen auf der Unterseite einer auf Biegung belasteten Probe zum Bruch.

Methoden

Welche Methoden zur Festigkeitsbestimmung durch Biegung gibt es?

Zur Bestimmung der Biegefestigkeit von Hochleistungskeramik wird der 4-Punkt-Biegeversuch durchgeführt. Für diese Untersuchung reichen bereits kleine prismatische Probenkörper der Maße 3 x 4 x 50 mm³. Die Probe wird dabei auf ein Auflager aus zwei Stahlrollen (siehe Bild 2) gelegt und anschließend von oben mit zwei weiteren Stahlrollen bis zum Bruch belastet. Durch die Bruchkraft kann die Biegefestigkeit bei Raumtemperatur (Kaltbiegefestigkeit) des Materials bestimmt werden.

Der 3-Punkt-Biegeversuch kann zur Festigkeitsbestimmung von sowohl kleinen als auch von großen Probenkörpern verwendet werden, da es variable Auflagerabstände gibt. Die Bestimmung der Kaltbiegefestigkeit im 3-Punkt-Biegeversuch von Feuerfest-Keramiken erfolgt bei WZR ceramic solutions an Probenkörpern der Maße 150 x 25 x 25 mm³.

Die Druckbelastung von oben erfolgt durch eine Stahlrolle, die die Probe mittig bis zum Bruch belastet (siehe Bild 3). Ein Vorteil dieses Versuches ist die Möglichkeit, den statischen Elastizitätsmodul (E-Modul) zu ermitteln. Dieser gibt Informationen über die elastische Verformung eines Werkstoffes vor dem Bruch. Die Messung erfolgt durch einen Wegaufnehmer, der mittig unter der Probe angebracht ist und die Durchbiegung der Probe (die elastische Verformung) aufzeichnet. Durch den Zusammenhang zwischen aufgebrachter Kraft und Durchbiegung wird der E-Modul berechnet.

Da bei der 3-Punkt-Biegeprüfung das effektive Prüfvolumen wesentlich kleiner ist, als bei der 4-Punkt-Biegeprüfung, resultieren deutlich höhere Festigkeitswerte.
Sind Sie an der Bestimmung der Biegefestigkeit bei hohen Temperaturen interessiert? Dann lesen Sie hier weiter: Heißbiegefestigkeit.

Ablauf

Wie wird die Ausfallwahrscheinlichkeit Ihrer Keramik bestimmt?

Um eine erste statistische Absicherung der Festigkeit eines keramischen Werkstoffes zu erhalten, sollten stets mindestens 5 Proben einer Charge geprüft werden.
Zur Berechnung der Ausfallwahrscheinlichkeit einer Keramik müssen nach Norm 30 Proben geprüft werden. Dies erklärt sich dadurch, dass die Festigkeitswerte einer Keramik keiner klassischen Gauß-Verteilung folgen, sondern der sogenannten Weibullverteilung.

Grenzen

Wo liegen die Grenzen von Festigkeitsbestimmungen bei keramischen Werkstoffen?

Wir prüfen die Festigkeit von keramischen Werkstoffen bis zu einer Maximalkraft von 50 kN. Daher ist eine Probengeometrie, die die Prüfung Ihres Werkstoffes zulässt, notwendig. Das normgerechte Arbeiten ermöglicht eine Reproduzierbarkeit und eine gute Vergleichbarkeit der Messergebnisse. Der Austausch mit Ihnen ist uns aus diesem Grund sehr wichtig, um die geeignete Prüfung für Ihren Werkstoff durchführen zu können. Gerne setzen wir uns mit Ihnen in Verbindung, um über die Möglichkeiten der Festigkeitsprüfung Ihrer Keramik zu sprechen.

Prüfverfahren

Weitere Prüfverfahren zur Festigkeit vom Keramik
Neben den klassischen Prüfverfahren zur Biegefestigkeit bieten wir, bei WZR ceramic solutions GmbH, weitere Untersuchungen an, um die Festigkeit Ihres Werkstoffs genau zu charakterisieren. Weitere Prüfverfahren sind:

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Aus der Beton-Prüfung ist eine indirekte Prüfung der Zugfestigkeit bekannt, der sog. Brasilianertest. Da dieser Versuch auch für keramische Werkstoffe sehr gut geeignet ist, bietet WZR ceramic solutions diese Prüfung ebenfalls an (siehe Bild 6).
Hierbei wird die runde Probe diametral belastet, wodurch Zugspannungen im Inneren der Probe aufgebaut werden. Diese führen dazu, dass in der Probenmitte senkrecht zur Belastungsrichtung Zugkräfte entstehen, die die Probe zum Reißen bringen. Es wird mit dieser Methode also indirekt die Zugfestigkeit von keramischen Proben bestimmt. Die Geometrie der Prüfkörper beträgt üblicherweise d=30mm und h=15mm. Dieses Verfahren wird nicht nur eingesetzt, um die Festigkeit von keramischen Proben im Neuzustand zu prüfen, sondern bietet sich insbesondere bei Schadensfällen an, wenn nur kleine Proben, Bohrkerne oder Bruchstücke zur Verfügung stehen. An einem belasteten Material kann die Änderung der Festigkeit beispielsweise von der heißen zur kalten Seite ermittelt werden (siehe Bild 6).

In der Praxis treten biaxiale Spannungszustände sehr häufig auf. Daher ist die biaxiale Prüfung in vielen Fällen realistischer als die konventionelle Biegeprüfung, bei der ein einaxialer Spannungszustand verwendet wird. Der B3B-Test ist eine biaxiale Festigkeitsprüfung speziell für keramische bzw. spröde Werkstoffe. Die Proben sind in aller Regel dünne runde Scheiben mit einem Durchmesser von einigen Millimetern. Durch Auswahl der Kugelgröße können unterschiedliche Probendurchmesser geprüft werden (siehe Bild 4).

Vorteil der Prüfung ist die gute Reproduzierbarkeit und ein geringer Aufwand bei der Probenvorbereitung. Da der Riss immer in der Mitte der Probe seinen Ursprung hat, haben - im Gegensatz zur Biegefestigkeitsprüfung - Kanteneffekte keinen Einfluss auf das Prüfergebnis. Bild 4: Prüfaufbau für den B3B-Test.

Bild 4: Prüfaufbau für den B3B-Test. (https://www.isfk.at/de/960/).

Entwickelt wurde der Test an der Montan-Universität in Leoben in der Arbeitsgruppe von Prof. Danzer. (A. Börger, P. Supancic, R. Danzer: The Ball on three Balls Test for Strength Testing of Brittle Discs - Stress Distribution in the Disc. Journal of the European Ceramic Society 22 (2002) 1425-1436, doi:10.1016/S0955-2219(01)00458-7).

Eine Möglichkeit, die Festigkeit von Glas zu ermitteln, ist der Doppelringversuch (siehe Bild 5). Auch bei dieser Prüfung handelt es sich um eine biaxiale Biegebelastung. Hierfür wird die zu prüfende Glasscheibe auf der Oberseite mit einer transparenten Folie beklebt und auf ein zylinderförmiges unteres Auflager gelegt. Die Belastung erfolgt über ein zylinderförmiges oberes Auflager, dessen Durchmesser kleiner ist als der des unteren Auflagers. Bei steigender Belastung wird die Festigkeit des Glases überschritten, wodurch es sternförmig reißt (siehe Bild 5 rechts). Durch diese Prüfung können dünne Glasscheiben ohne aufwändige Probenvorbereitung auf ihre Festigkeit geprüft werden.

Prüfung von Glas im Doppelringversuch.

Neben der Festigkeitsprüfung bietet WZR ceramic solutions die Untersuchung der Rohdichte und offenen Porosität mittels Wasseraufnahme und der Härte Ihres Werkstoffes an. Des Weiteren ermitteln wir physikalische Kennwerte bei Temperaturen über Raumtemperatur.
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Ansprechpartner

Anika Braun