Bestimmung der Energiebilanz bei Rissinitiierung und Rissausbreitung in quasispröden Werkstoffen

Abstract

Die Optimierung von Herstellungsprozessen stellt nach wie vor einen der wichtigsten Faktoren bei der Reduktion von Produktionskosten dar. Dabei gilt es, bei gleichartigen Arbeitsgängen an verschiedenen Materialien das jeweils effektivste Werkzeug einzusetzen sowie die Bearbeitungszeiten an die unterschiedlichen Eigenschaften der Ausgangsprodukte bestmöglich anzupassen.<br />Mit Hilfe der vorliegenden Arbeit werden 14 verschiedene Gesteine, die einem industriellen Zerkleinerungsprozess zugeführt werden sollen, anhand von bruchmechanischen Kennwerten charakterisiert und basierend auf diesen Ergebnissen Empfehlungen für den Mahlprozess abgegeben.<br /> Nach einer kurzgefassten Einführung in die allgemeinen Konzepte der Bruchmechanik, wird das für diese Arbeit verwendete Prüfverfahren (die Keilspaltmethode) näher beschrieben. Es handelt sich hierbei um eine hervorragende Methode, stabile Rissausbreitung in spröden und quasispröden Materialien zu erreichen bei gleichzeitig kompakten Probenabmessungen.<br />Als optimale Probenform für die 137 Keilspaltmessungen umfassende Messreihe kristallisierten sich Halbscheiben mit einem Durchmesser von 104 mm und einer Breite von 20 mm heraus. Diese Halbscheiben entstanden durch Teilung von Bohrkernen, die den ange-lieferten Rohgesteinen entnommen wurden. An je einer quaderförmigen Probe (Abmes-sungen 20 x 20 x 50 mm) der 14 Gesteine führte man die Bestimmung der elastischen Eigenschaften durch.<br />Begleitend zu den Bruchversuchen wurden auch die während des Bruchgeschehens emit-tierten, akustischen Schallereignisse (AE) detektiert. Daraus ließen sich in Korrelation mit den mechanischen Messungen Aussagen über den Materialschädigungsvorgang in der Anfangsphase der Belastung treffen.<br />Nach einem Vergleich der energetischen, elastischen und Festigkeitsmesswerte mit den bruchmechanischen Ergebnissen konnten folgende Aussagen getroffen werden:<br />Eine Zusammengehörigkeit von metamorphen, sedimenten oder magmatischen Gesteinen aufgrund ihrer Eigenschaften ist nicht erkennbar. Sowohl die absoluten Unterschiede in Bruchenergie und Kerbbiegezugfestigkeit als auch ihr charakteristisches Bruchverhalten liegen mitunter Größenordnungen auseinander, sodass eine optimale Bearbeitung nur dann möglich ist, wenn explizit auf die Einzelergebnisse dieser Arbeit eingegangen wird. Die erzielten Resultate zeigen aber auch, dass das Keilspaltverfahren für eine differenzierte Charakterisierung dieser Werkstoffe sehr gut geeignet ist.<br />Auch die Schallemission liefert keine allgemein gültigen Aussagen. Es sind zwar AE-Signale an einigen Gesteinen messbar, bevor noch mechanische Anzeichen einer "plastischen" Verformung des Prüflings vorliegen, doch sind dies gerade nicht jene Werkstoffe, die der Gefahr eines katastrophalen Materialversagens unterliegen.<br />

Optimizing a manufacturing process is one of the most important tasks in reducing production costs. In order to perform equivalent manufacturing steps on different materials, use of the most effective tools as well as adaptation of the manufacturing time to the different properties of the raw products is useful. By means of this master theses it is possible to characterize 14 different stones according to their fracture and elastic behavior. Based on the results of this work, recommendations may be given for an industrial cracking process by a stone-mill.<br /> After a short introduction into the basic concepts in fracture mechanics, the testing procedure (the wedge splitting method) is discussed in detail. This method was chosen because of its capability in achieving stable fracture-behavior in brittle and quasi-brittle materials. The main advantage of this method is to use rather compact specimens which are prepared and handled easier than large ones like for the 3-point bending test.<br />The best sample-geometry for the wedge-splitting test-series, which included 137 measurements, was a half-shave with a diameter of 104 mm and a thickness of 20 mm. These half-shaves were prepared by cutting drill-cores, which had been taken out of the raw-stones. For determining the elastic behavior, cubic-shaped samples (20 x 20 x 50 mm) were used. Simultaneously to the mechanical-measurements, acoustic-emission signals (AE) were detected and recorded. Together with the mechanical results special details of the beginning of the loading-phase could be concluded.<br />The fracture-mechanical results of the stones were compared from the energetic-, strengthness- and elastic-point of view, which led to the following statements:<br />A common behavior within a family of stones like metamorphits, sediments and magma-tits was not found. The results on fracture-energy, strengthness and the characteristic fracture-behaviour showed large scattering. Therefore, single results on each stone have to be considered, in order to obtain information about the cracking process. From the acoustic-emission-investigations likewise no general statements can be derived. Though measurements showed, that the AE-method is a more sensitive method to detect plastic deformation during the early cracking-process, compared to mechanical-methods, this result is of no practical value, since the investigated stones are not prove to catastrophic failure.<br />