Forschungszentrum Karlsruhe - Wissenschaftliche Berichte - FZKA 6907
Problems
in fracture mechanics of indentation cracks
T.
Fett, G. Rizzi
Abstract
Vickers
indentation cracks are an appropriate tool to determine the crack-tip toughness
KI0 of ceramics from the total crack opening displacements. Two
different procedures were applied to determine the crack opening displacement
(COD) field under residual and externally applied stress fields. First, a semi-analytical
procedure was used to compute the COD field from residual stresses introduced
in the uncracked body by the indentation test. This approach allows a
description by analytical relations. In order to check the accuracy of these
calculations and to outline some problems in detail, also finite element (FE)
computations were carried out. In an experimental example the stress intensity
factor of glass is determined. Apart from the crack opening profile, also
relations for the total stress intensity factor and the T-stress term are
provided.
As a second
type of indentation crack, cone cracks were considered as developing under
spherical contact load. Mixed-mode stress intensity factors were computed. The
results obtained by application of the weight function method are used to
calculate the cone angle under the condition of KII=0 during crack
generation. A good agreement with measured data from literature is found.
Probleme in der bruchmechanischen Behandlung von
Eindrucksrissen
Zusammenfassung
Die beim Vickers-Eindruckversuch in keramischen
Materialien auftretenden Risse sind geeignet, die Rissspitzenzähigkeit KI0
von Keramiken aus Rissuferverschiebungsmessungen zu bestimmen. Es werden zwei
verschiedene Methoden verwendet, um die Rissuferverschiebung unter
Eigenspannungsbelastung durch den Eindruck selbst und zusätzlich aufgrund von
extern aufgebrachten Belastungen zu berechnen. Zuerst wird eine halbanalytische
Vorgehensweise dargestellt. Diese ist besonders geeignet, um analytische
Beziehungen zwischen Rissuferverschiebung und aktuell herrschendem
Spannungsintensitätsfaktor zu beschreiben. Zusätzlich wird eine Analyse mit der
Methode der Finiten Elemente durchgeführt, die es gestattet, Detailprobleme,
wie z.B. die Ermittlung der T-Spannung, zu behandeln.
Als zweiter Eindrucksriss-Typ wird der „cone crack“
behandelt. Hierbei wird die Gewichtsfunktion – einschließlich gemischter Terme
– ermittelt und mit deren Hilfe der Rissausbreitungswinkel aus der Bedingung
des verschwindenden mode-II Spannungsintensitätsfaktors bestimmt. Eine sehr
gute Übereinstimmung mit Messdaten wird gefunden.
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