5 Werkstofftechnik
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The presence of water in the surrounding atmosphere of a propagating crack has a major influence on the subcritical crack growth. While these external phenomena are well understood, there is still a lack of knowledge on the influence of structurally bound water on crack propagation. Thus, our recent study aims on the analysis of crack propagation in water bearing soda-lime silicate glasses with up to 8 wt.% water. The samples were synthesized in an internally heated pressure vessel at 0.5 GPa. Since this preparation route limits the sample sizes, standard test geometries allowing for the determination of stress intensity factors, such as double cantilever beam, are not feasible. Thus, radial cracks in the hydrous glasses were initiated by Vickers indentation and crack growth was simultaneously captured with a camera system. An automated image analysis algorithm was used for the analysis of the crack length of each single video frame. To minimize influences by atmospheric water, all experiments were conducted in a glovebox purged with dry N2. About 150 cracks per glass composition were analyzed to provide statistical significance of the Vickers-induced SCCG. The results show that structurally bound water has a major influence on SCCG by means of crack lengths, growth rates and time of crack initiation.
Statistical analysis of Vickers induced subcritical crack growth in soda-lime silicate glasses
(2018)
Studies on Vickers induced subcritical crack growth are controversially discussed since the stresses that drive the crack growth are distributed three dimensionally within the material and cannot be retraced by available methods. Hence, empirical approaches are used to calculate mechanical material parameters such as the stress intensity factor KI. However, the results of these approaches show large deviations from those measured by standardized techniques such as double cantilever beam (DCB) or double cleavage drilled compression (DCDC). Yet, small specimen sizes and low specimen quantities can prevent the execution of DCB and DCDC measurements. Here we present an approach that is based on a statistical analysis of Vickers induced radial cracks. For this purpose more than 150 single radial cracks were analyzed. The cracks were generated in a commercial soda-lime silicate glass. The experiments were performed in a glovebox purged with dry nitrogen gas to minimize the influence of atmospheric water on crack growth. The temporally resolved evolution of the radial cracks was monitored in-situ using an inverted microscope equipped with a camera system directly below the Vickers indenter. An automated image analysis software was used to determine the crack length over time. The data show that the crack propagation and thereby the crack velocities are not uniformly but statistically distributed. These findings allow, using the statistical mean value of the distributions in combination with DCB data, a precise formulation of KI for each measured crack length.
Die Festigkeit von Gläsern wird durch die Oberflächenqualität beeinflusst. Kommt es neben dem Auftreten von Defekten zusätzlich zum Risswachstum ausgehend hiervon, wird die Festigkeit minimiert. Das Wachstum hängt dabei maßgeblich von der Luftfeuchtigkeit ab. Dieses Ermüdungsverhalten von Gläsern besser zu verstehen und dabei die Mechanismen und den Einfluss von im Volumen eingebauten Wasser auf das unterkritische Risswachstum zu untersuchen, ist Ziel der Arbeiten. Als Teilprojekt im Rahmen des DFG Schwerpunktprogramms SPP 1594 „Ultrastrong glasses“ soll der Einfluss des im Volumen eingebauten Wassers auf die Rissspitze untersucht werden. Zusammen mit der Leibniz Universität Hannover und der TU Clausthal werden hierfür hochwasserhaltige Gläser (bis zu 8 Gew%) bei 8 kbar über die Flüssigphase synthetisiert, die makroskopisch den hohen Wasseranteil nachstellen. Die Charakterisierung erfolgt hinsichtlich des Wassereinbaus, der mechanischen Eigenschaften und des Risswachstums. Die Arbeiten in Berlin beziehen sich hierbei auf die Messungen des unterkritischen Risswachstums in Luft und Vakuum, sowie Verlustwinkelmessungen.
Erste Ergebnisse zeigen Unterschiede im korrosionsbeeinflussten (langsames) und inerten (schnelles und im Vakuum stattfindendes) Risswachstumsverhalten der untersuchten Gläsern. Die Rissgeschwindigkeit beim Übergang vom korrosionsbeeinflussten zum inerten Risswachstum ist hin¬gegen für alle Gläser ähnlich und folglich ein kinetisch durch den äußeren Wassertransport an die Rissspitze bestimmter Prozess. Der Widerstand gegen Risswachstum steigt mit Tg und zusätzlich kann anhand der Verlustwinkelmessungen ein Zusammenhang zwischen der Netzwerk- und der β-Relaxation ermittelt werden. Je höher der Wassergehalt im Glas ist, desto niedriger wird Tg und einfacher das Risswachstum, welches sich durch längere Risse kennzeichnet. Besonders stark tritt dieser Effekt bei einem Überschuss an molekularem Wasser auf.