5 Werkstofftechnik
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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.
Environmental conditions are known to influence sub-critical crack growth (SCCG) that are released from microscopic flaws at the glass surface, leading to stress corrosion phenomena at the crack tip. The processes at the crack-tip are complex and water has been identified as a key component governing SCCG at low crack velocities (region I). In particular, the influence of humidity accelerating crack propagation is well studied for industrial soda-lime silicate glasses, which are practically free (< 1000 ppm) of dissolved water. To shed light on the corrosion process, the situation at the crack-tip is reversed in the present study as dissolved water in larger fractions is present in the glass and crack propagation is triggered in dry environment. For this purpose, water-bearing silicate glasses of up to 8 wt% total water were synthesized in an internally heated pressure vessel at 0.5 GPa and compared to dry glasses of standard glass manufacturing. SCCG was measured using the double cantilever beam technique and by Vickers indentation. For dry glasses, three trends in the crack growth velocity versus stress intensity curve were found. The slope in region I limited by environmental corrosion increases in the order sodium aluminosilicate < sodium borosilicate ≲ sodium lead silicate. The velocity range of region II reflecting the transition between corrosion affected and inert crack growth (region III), varies within one order of magnitude among the glasses. The KI region of inert crack growth strongly scatters between 0.4 and 0.9 MPam1/2. For hydrous glasses, it is found that those of low Tg are more prone to SCCG. As water strongly decreases Tg, it promotes SCCG. First results indicate that molecular water has a dominating influence on SCCG.