3D-Finite-Elemente-Analyse zur Lokalisierung des Bruchursprungs in Spaltzugversuch

Bei der Festigkeitsprüfung von spröden Werkstoffen mit Hilfe des Scheibendruckversuchs wird häufig ein Bruchverhalten beobachtet, bei dem, entgegen der klassischen Theorie, der Bruch nicht in der Scheibenmitte ausgelöst wird. Zur Aufklärung dieses Verhaltens wurden Finite-Elemente-Studien durchgeführt. Sie zeigen sowohl an der Stirnseite der Scheibe als auch auf der Mantelfläche nahe der Krafteinleitungsstelle Zugspannungskonzentrationen, die ein vorzeitiges Versagen der Probe herbeiführen könnten. Die nach der klassischen Formel aus der Bruchlast ermittelt Zugfestigkeit wird dadurch unterschätzt. Es wird weiter der Einfluß von Parametervariationen der Versuchsanordnung untersucht. Dabei werden die Steifigkeitsverhältnisse zwischen Scheibe und Belastungseinrichtung, die Scheibendicke und die Reibungsverhältnisse zwischen Scheibe und Belastungsstempel modifiziert. In allen untersuchten Beispielen findet sich eine beträchtliche Spannungsüberhöhung bei Verformungen bis zu etwa 2 % Stauchu ng. Erst bei höheren Deformationen geht die Spannungsüberhöhung zurück. Während die Veränderung des E-Modul-Verhältnisses zwischen Scheibe und Belastungsstempel nur relativ geringe Auswirkungen hat, läßt sich für bestimmte Fälle durch einen erhöhten Reibungskoeffizienten eine Verbesserung erzielen. Eine Herabsetzung der Scheibendicke bringt eine Verkleinerung der gefährdeten Zone mit sich. Da die hierdurch erzielte Reduzierung der Spannungsüberhöhungen dennoch unzureichend ist, wird die Anwendung des Scheibendruckversuchs in der beschriebenen Anordnung zur Prüfung von Materialien geringer Verformbarkeit abgelehnt.