Some aspects of fracture mechanics research during the last 25 years

摘要

Es wird eine Übersicht über die verschiedenen Konzepte der Bruchmechanik gegeben und über ihre Anwendung zur Charakterisierung der Zähigkeit von Stählen und zur Gewährleistung der Sicherheit von Bauteilen, die Risse enthalten. Die drei wichtigsten Parameter sind der Spannungsintensitätsfaktor für die linear elastische Bruchmechanik (LEBM), ferner die Rißspitzenaufweitung CTOD und das J-Integral für die elastisch-plastische Bruchmechanik (EPBM). Die ASTM Norm E 1820-96 liefert eine gemeinsame Methode, um alle zutreffenden Zähigkeitskennwerte, einschließlich Rißwiderstandskurven, in einem einzigen Versuch zu bestimmen. Viele Untersuchungen beschäftigten sich mit den Einflußgrößen auf diese Kennwerte, z.B. Probengeometrie, Temperatur und Belastungsgeschwindigkeit. Verschiedenartige Sicherheitskonzepte wurden entwik-kelt. Die auf der Rißzähigkeit bei ebenem Dehnungszustand K_(Ic) beruhende Methode der LEBM hat sich gut eingebürgert für hochfeste Stähle oder bei tiefen Temperaturen. Für die modernen Stähle mit großer Zähigkeit müssen die komplizierteren Konzepte der EPBM angewendet werden. Wegen der Verfügbarkeit von modernen Computern und von kommerzieller Software für Finite Elemente-Rechnungen ist die Anwendung des J-Integrals seit den letzten Jahren weit verbreitet. Außerdem wurde eine Anzahl von näherungsweisen Methoden erarbeitet, z.B. CTOD-design-curve, BSI PD6493:1991, CEGB-R6-method, ETM, Eurocode 3 Anhang C.%A review is given of the various concepts of fracture mechanics, furthermore of their application to assess the toughness of steels and to guarantee the safety of structures containing cracks. The three most important parameters are the stress-intensity factor K_I for linear elastic fracture mechanics (LEFM), the crack tip opening displacement CTOD and the J-integral for elastic-plastic fracture mechanics (EPFM). The ASTM designation E 1820-96 provides a common method for determining all applicable toughness parameters from a single test, including R-curves. Many investigations dealt with the numerous influences on these parameters, e.g. specimen geometry and temperature and strain rate. Various failure concepts have been developed. The method of LEFM based on plane strain fracture toughness K_(Ic) is well established for high strength steels or low temperatures. For modern steels with high toughness the more complicated concepts of EPFM have to be applied. Because of the availability of commercial software for FE-calculations the application of the J-integral has become widespread in recent years. A number of approximative methods has been elaborated, e.g. CTOD-design-curve, BSI PD6493:1991, CEGB-R6-method, ETM, Eurocode 3 Annex C. Although the theory of fracture mechanics regards the material as an sotropic continuum the question is of great importance, how its materials parameters depend on the microstructure of the steels. Systematic investigations with the aid of the hot deformation simulator Wumsi showed the favourable material properties of fracture mechanics resulting from thermomechanical treatment.