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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