Bruchzähigkeit von Stahl und Rissspitzenverhalten

Was die Bruchzähigkeit von Stahl misst

Die Bruchzähigkeit ist der Widerstand gegen die Ausbreitung eines Risses unter einem festgelegten Belastungs- und Zwangszustand. Diese Definition ist bewusst enger gefasst als der Begriff „Festigkeit“. Ein Bruchzähigkeitswert beschreibt, wie sich ein rissbehafteter Körper verhält, wenn die antreibende Kraft an der Rissspitze ein kritisches Niveau erreicht oder wenn der Riss zu wachsen beginnt. Er beschreibt nicht jede mögliche Versagensart eines Stahlerzeugnisses.

Ein angegebener Wert gehört daher zu einem Prüfverfahren, einer Probengeometrie, einer Rissausrichtung, einer Temperatur, einer Belastungsgeschwindigkeit und einem Gültigkeitsbereich. K_IC, J_IC, die kritische CTOD δ und eine R-Kurve sind miteinander verwandte Bruchparameter, aber keine austauschbaren Zahlenwerte. Die Umrechnung von einem Parameter in einen anderen setzt geeignetes Werkstoffverhalten, eine geeignete Geometrie sowie elastisch-plastische Annahmen voraus.

Risswiderstand ist nicht Zugfestigkeit

Eine zugelastete, rissfreie Zugprobe misst den Widerstand gegen Verformung und Bruch über einen relativ gleichmäßigen Querschnitt. Die Streckgrenze gibt die Spannung an, bei der eine wesentliche plastische Verformung beginnt; die Zugfestigkeit erfasst die maximale nominelle Zugspannung; die Bruchdehnung gibt die Verformungsfähigkeit nach dem Erreichen der Streckgrenze an; und die Härte liefert ein indirektes Maß für den Eindringwiderstand und in manchen Fällen für eine näherungsweise Bestimmung der Festigkeit. Keine dieser Messungen beantwortet unmittelbar die Frage, ob sich ein vorhandener Riss ausbreiten wird.

Eine höhere Streckgrenze weist nicht automatisch auf eine höhere Bruchzähigkeit hin. Strong evidence

Dieser Unterschied ist auch beim Vergleich von Stählen mit bekannten Bezeichnungen wie ASTM A36 und ASTM A572 Grade 50 von Bedeutung. Eine höhere Streckgrenze bedeutet nicht automatisch eine höhere Bruchzähigkeit. Verfestigungsmechanismen können die Streckgrenze erhöhen und zugleich die Menge an plastischer Verformung verringern, die eine durch Zwang behinderte Rissspitze tolerieren kann, insbesondere bei niedrigen Temperaturen. Die Blechdicke kann eine ähnliche Wirkung haben, da sie den Zwang an der Rissspitze erhöht. Das Stahlbrückenhandbuch der Federal Highway Administration aus dem Jahr 2016 beschreibt die praktische Konsequenz: Ein höherfester oder dickerer Stahl kann eine höhere Bruchzähigkeit erfordern, weil Spannung und Zwang an der Rissspitze das Bruchrisiko erhöhen.

Auch die Zugduktilität ist kein Ersatz. Ein Stahl kann an einem glatten Stab eine beachtliche Bruchdehnung zeigen, während eine Kerbe, ein Schweißfehler, ein lamellares Merkmal oder ein Übergangszustand bei niedriger Temperatur zu Sprödbruch führt. Die Härteprüfung ist noch weiter vom Rissproblem entfernt; sie kann dabei helfen, Unterschiede in der Wärmebehandlung zu erkennen, bestimmt jedoch nicht K_IC, J_IC oder die kritische CTOD.

Die Ermüdungslebensdauer beantwortet eine andere Frage. Bei wiederholter Belastung ist der zyklische Rissantriebsparameter üblicherweise der Spannungssintensitätsbereich ΔK und nicht ein einzelner monotoner Bruchzähigkeitswert. NASA-HDBK-5010, Band 2 (2023), gibt für eine mittig angerissene Platte die Beziehung für den Modus I an:

K = βσ√(πa)

wobei β die Geometrie berücksichtigt, σ die aufgebrachte Spannung und a die vom Modell verwendete Rissabmessung ist. Bei zyklischer Belastung verändert sich ΔK mit dem Spannungsbereich und der Rissgröße. Ein Stahl kann bei einem bestimmten K einem schnellen Bruch widerstehen und dennoch über Tausende oder Millionen von Lastwechseln ein langsames Ermüdungsrisswachstum akkumulieren.

Die Rissspitze als maßgebender Bereich

Die Nennspannung in größerer Entfernung von einem Riss kann moderat sein, während das lokale Spannungs- und Dehnungsfeld an der Rissspitze sehr ausgeprägt ist. Ein scharfer Riss konzentriert die aufgebrachte Last auf einen kleinen Bereich. A. A. Griffith beschrieb die Rissausbreitung mithilfe einer Energiebilanz: Das Risswachstum tritt ein, wenn die Verringerung der elastischen Formänderungsenergie die Energiekosten für die Erzeugung neuer Bruchflächen decken kann. G. R. Irwin beschrieb später das elastische Feld an der Rissspitze mithilfe des Spannungssintensitätsfaktors und machte es dadurch möglich, Last, Risslänge, Bauteilgeometrie und die lokale Beanspruchung der Rissspitze miteinander in Beziehung zu setzen.

Bei einer hinreichend kleinen plastischen Zone behandelt die linear-elastische Bruchmechanik K als maßgebenden Parameter. ASTM E399-24 verwendet diesen Ansatz, um K_IC an ermüdungsvorangerissenen Metallproben unter überwiegend linear-elastischen Bedingungen im ebenerdehnungsnahen Zustand zu bestimmen. Die Probe muss so groß sein, dass die Plastizität an der Rissspitze im Verhältnis zu ihren Abmessungen klein bleibt; andernfalls kann der gemessene Wert ein bedingtes Ergebnis statt einer gültigen Bruchzähigkeit unter Ebenenverformungsbedingungen sein.

Diese Einschränkung erklärt, warum eine Zugprobe kein gerissenes Brückenflanschblech, keinen Druckbehälter und keine Schweißverbindung repräsentieren kann. Das reale Bauteil weist eine Rissgröße, eine Rissform, einen Spannungsgradienten, eine Dicke, einen Eigenspannungszustand und ein bestimmtes Zwangsniveau auf. Sein Riss kann außerdem im Grundwerkstoff, im Schweißgut oder in der Wärmeeinflusszone liegen. ISO 15653:2018 behandelt die Bruchzähigkeit von Schweißverbindungen mithilfe von K, CTOD δ und dem experimentellen Äquivalent des J-Integrals, wobei Ermüdungsrisse in relevanten Schweißbereichen angeordnet werden.

Wenn die Plastizität an der Rissspitze nicht klein oder gleichmäßig ist, sind elastisch-plastische Verfahren erforderlich. J misst unter diesen Bedingungen die energetische Antriebskraft, während CTOD die mit einem bestimmten Bruchereignis verbundene Öffnung der Rissspitze misst. NIST berichtete 2008, dass elastisch-plastische Prüfungen die ungleichmäßige Plastizität an der Rissspitze und komplexe Spannungs-Dehnungs-Verteilungen berücksichtigen, wenn die instabile Rissausbreitung in Stahl vorhergesagt wird.

Rissinitiierung, stabiles Wachstum und instabiler Bruch

Die zentrale ingenieurtechnische Frage lautet nicht einfach: „Wie hoch ist die Bruchzähigkeit dieses Stahls?“ Sie lautet vielmehr: Wird ein bekannter Riss unter einer bekannten Belastung stabil bleiben, sich stabil ausbreiten oder einen schnellen Bruch auslösen?

Die Rissinitiierung ist die erste Ausbreitung ausgehend vom bereits vorhandenen Riss. Nach der Initiierung kann der Werkstoff ein stabiles Risswachstum tolerieren, während plastische Verformung und Mechanismen wie die Bildung duktiler Hohlräume Energie aufnehmen. Der Widerstand kann mit zunehmender Rissausbreitung steigen; dieses Verhalten wird durch eine J-R-Kurve, eine CTOD-Widerstandskurve oder eine andere R-Kurve dargestellt. Wenn die aufgebrachte Rissantriebskraft diesen Widerstand übersteigt, kann ein instabiler Bruch folgen.

ASTM E1820 misst das Bruchverhalten im Modus I mithilfe von K, J und CTOD, entweder als Punktwerte oder als Widerstandskurven. ISO 12135:2021 legt ebenfalls quasistatische Verfahren unter Verwendung von K, der Rissspitzenöffnungsverschiebung δ, J und R-Kurven für ermüdungsvorangerissene homogene Metallproben fest. ASTM E1290 konzentriert sich auf kritische CTOD-Werte bei festgelegten Ereignissen der Rissausbreitung und ist insbesondere für den Übergang von duktilem zu sprödem Verhalten bei sinkender Temperatur relevant.

Diese Ergebnisse müssen an ihr Prüfverfahren gebunden bleiben. Ein K_IC-Wert aus ASTM E399-24 sollte nicht ohne Begründung in eine J-basierte Strukturbewertung eingesetzt werden, und eine kritische CTOD aus einer Schweißprüfung nach ISO 15653:2018 sollte nicht als universelle Eigenschaft einer Stahlsorte behandelt werden. Der Zwangszustand der Probe, der Belastungsmodus, die Temperatur, die Lage des Risses, die Belastungsgeschwindigkeit und die gewählte Definition von „Initiierung“ beeinflussen sämtlich das Ergebnis. Die Zahl ist nur zusammen mit diesen begleitenden Prüfungsinformationen aussagekräftig.

Das bruchmechanische Rahmenwerk: Griffith, Irwin und K

Griffiths Energiebilanz

Ein Stahlbauteil versagt nicht einfach deshalb durch Bruch, weil seine Nennspannung die für eine Güteklasse angegebene Streckgrenze oder Zugfestigkeit überschreitet. Ein Riss verändert die Problemstellung: Die aufgebrachte Last setzt beim Fortschreiten des Risses elastische Verformungsenergie frei, während neu entstehende Bruchflächen Energie verbrauchen. A. A. Griffith formulierte diesen Wettbewerb als Energiekriterium. Eine Rissausbreitung wird möglich, wenn die Energiefreisetzungsrate $G$ ihren kritischen Werkstoffwert $G_c$ erreicht:

$$G\ge G_c$$

Für einen ideal spröden Festkörper bezog Griffith $G_c$ im Wesentlichen auf die Oberflächenenergie, die zur Erzeugung von zwei neuen Rissflächen erforderlich ist. Reale Stähle sind keine ideal spröden Festkörper. Plastische Verformung, die Bildung von Mikroporen, Spaltbruch, Rissüberbrückung, Eigenspannungen und andere Vorgänge absorbieren zusätzlich Energie in der Nähe der Rissspitze. Der gemessene Widerstand spiegelt daher sowohl den Werkstoff als auch die Bedingungen wider, unter denen der Riss geprüft wird.

Diese energetische Betrachtungsweise bildet die Grundlage der Bruchmechanik, weil sie Last, Rissabmessungen und den Widerstand gegen Rissausbreitung miteinander verknüpft. Sie erklärt auch, weshalb die Festigkeit allein eine rissbehaftete Struktur nicht beschreiben kann. Ein hochfester Stahl kann zwar eine hohe Nennspannung aufnehmen, doch ein ausreichend großer Fehler kann unter hoher Zwangsbeanspruchung bereits vor dem allgemeinen Fließen zum Bruch führen. Umgekehrt kann ein Stahl geringerer Festigkeit mit höherem Widerstand gegen Risswachstum denselben Fehler sicherer tolerieren.

Der maßgebliche Widerstand ist keine universelle Konstante einer Güteklasse. Temperatur, Belastungsgeschwindigkeit, Dicke, Spannungszustand, Rissausrichtung, Lage einer Schweißnaht und das als Versagen ausgewählte Ereignis können den gemessenen Wert verändern. Stabiles Reißen und instabiler Spaltbruch sind unterschiedliche Ergebnisse, selbst wenn sie bei Proben aus derselben Stahlschmelze auftreten.

Irwins Spannungsfeld an der Rissspitze

G. R. Irwin überführte Griffiths Energiekonzept in eine praktische Beschreibung des elastischen Feldes um eine Rissspitze. In der linear-elastischen Bruchmechanik steigen die Spannungen in der Nähe der Spitze näherungsweise mit dem umgekehrten Quadratwurzelgesetz des Abstands $r$ von der Spitze:

$${\sigma }_{\mathrm{ij}}\approx \frac{K}{\sqrt{2\pi r}}{f}_{\mathrm{ij}}\left(\theta \right)$$

Hier beschreibt $f_{\mathrm{ij}}\left(\theta \right)$ die Winkelverteilung der Spannung, während $K$ deren Amplitude festlegt. Die mathematische Singularität führt bei einem realen Stahl nicht zu einer unendlich hohen Spannung: An der Spitze bildet sich eine, wenn auch kleine, plastische Zone. LEFM bleibt anwendbar, wenn diese Zone im Vergleich zu den Probenabmessungen, der Rissgröße und dem verbleibenden Restquerschnitt klein ist, sodass das umgebende Feld überwiegend elastisch bleibt.

Modus I ist der maßgebliche Fall bei der Bewertung von Stahlbrüchen. Dabei werden die Rissflächen durch eine Zugbelastung senkrecht zur Rissebene geöffnet. Modus II erzeugt ein Gleiten in der Rissebene, und Modus III ein Reißen senkrecht zur Rissebene. Reale Strukturen können einer Belastung im gemischten Modus ausgesetzt sein, doch viele Auslegungs- und Prüfverfahren beginnen mit Modus I, da dieser häufig den Zugbruch bestimmt.

Irwin verknüpfte das Spannungsfeld an der Rissspitze außerdem mit der Energiefreisetzung. Für einen linear-elastischen Werkstoff gilt:

$$G=\frac{K^2}{E\prime }$$

wobei $E\prime =E$ bei ebener Spannung und $E\prime =E/(1-{\nu }^2)$ bei ebener Dehnung gilt. Diese Beziehung zeigt, weshalb ein kritischer Spannungsintensitätswert den Bruchwiderstand nur dann darstellen kann, wenn die elastischen Annahmen und die Bedingungen der Zwangsbeanspruchung angemessen sind. ASTM E399-24 bestimmt $K_{\mathrm{IC}}$ unter überwiegend linear-elastischen Bedingungen und bei ebener Dehnung an metallischen Proben mit Ermüdungsvor riss. Die Anforderungen an Abmessungen und Gültigkeit sollen die plastische Verformung an der Rissspitze so gering halten, dass $K_{\mathrm{IC}}$ einen aussagekräftigen Bruchzähigkeitswert bei ebener Dehnung darstellt.

Wenn die Plastizität nicht gering ist, beschreibt $K$ allein möglicherweise nicht den Zustand an der Rissspitze. ISO 12135:2021 umfasst $K$, die Rissspitzenöffnungsverschiebung $\delta$, $J$ und Widerstandskurven für quasistatische Prüfungen homogener metallischer Proben. ASTM E1820 verwendet ebenfalls $K$, $J$ und CTOD, entweder als Punktwerte oder als Kurven, die den Widerstand während einer stabilen Rissausbreitung darstellen. Diese Größen stehen über die Bruchmechanik miteinander in Beziehung, doch $K_{\mathrm{IC}}$, $J_{\mathrm{IC}}$, CTOD und eine R-Kurve sind keine austauschbaren Bezeichnungen.

Spannungsintensität, Geometrie und Rissgröße

NASA-HDBK-5010, Band 2, gibt den Spannungsintensitätsfaktor für Modus I bei einer mittig angerissenen Platte an als

$$K=\beta \sigma \sqrt{\pi a}$$

wobei $\sigma$ die aufgebrachte Nennspannung, $a$ die gemäß der angegebenen Geometriekonvention verwendete Rissabmessung und $\beta$ ein Geometriekorrekturfaktor ist. Bei einem mittigen Durchriss bezeichnet $a$ üblicherweise die halbe Risslänge; bei anderen Konfigurationen wird die Rissabmessung anders definiert. Die Gleichung macht die Wechselwirkung unmittelbar deutlich: Eine Verdopplung der Spannung verdoppelt $K$, während eine Vervierfachung der Rissgröße den gleichen Effekt hat.

$\beta$ ist keine Werkstoffkonstante und beschreibt weder die Stahlgüte noch die Härte oder die Zähigkeit. Der Faktor berücksichtigt endliche Breite, Randeffekte, Rissform, Probenkonfiguration und Belastungsanordnung. Eine Kompaktzugprobe, eine Probe für den Dreipunktbiegeversuch mit einseitigem Randriss und eine breite Platte mit einem mittigen Riss können aus demselben Stahl bestehen und dieselbe Spannung sowie dieselbe nominale Risslänge aufweisen, aber aufgrund unterschiedlicher Geometriekorrekturen verschiedene Spannungsintensitätsfaktoren erzeugen. Das AFGROW-Handbuch zur Schadenstoleranz beschreibt dasselbe Prinzip: Die elastische Reaktion an der Rissspitze hängt von Belastung, Geometrie und Rissabmessungen ab.

Bei zyklischer Belastung bezeichnet NASA $\Delta K$, den Bereich der Spannungsintensität während eines Belastungszyklus, als den maßgeblichen Parameter für das Ermüdungsrisswachstum innerhalb des jeweils anwendbaren LEFM-Modells. Ein Bruch kann daher eintreten, nachdem ein Riss unter wiederholten Belastungen gewachsen ist, obwohl die anfängliche Spannung unterhalb des abschließenden statischen Bruchniveaus lag.

Die Bedingung $K=K_{\mathrm{IC}}$ ist nur dann aussagekräftig, wenn Probe und Belastung die Anforderungen der einschlägigen Norm erfüllen. Das FHWA-Handbuch für Stahlbrücken beschreibt Kombinationen aus Rissgröße und Spannung unterhalb von $K=K_{\mathrm{IC}}$ innerhalb dieses Modells als stabil, nicht jedoch als universell sicher. Dicke Bauteilquerschnitte und hochfeste Stähle können eine stärkere Zwangsbeanspruchung an der Rissspitze entwickeln, wodurch die Fähigkeit der Plastizität zur Abstumpfung des Risses verringert wird. Schweißgut, Schmelzgrenzen und Wärmeeinflusszonen erfordern eine gesonderte Betrachtung; ISO 15653:2018 behandelt die Bruchzähigkeit von Schweißverbindungen unter Verwendung von $K$, CTOD $\delta$ und dem experimentellen Äquivalent des $J$-Integrals. Der angegebene Wert muss daher zusammen mit seinem Prüfverfahren, der Probengeometrie, der Risslage, der Temperatur, der Belastungsgeschwindigkeit und den Gültigkeitsgrenzen betrachtet werden.

Wann KIC und LEFM für Stahl gültig sind

ASTM E399-24 und Bruchzähigkeit unter ebener Dehnung

ASTM E399-24 bietet ein spezifisches Verfahren zur Messung der Bruchzähigkeit unter ebener Dehnung, $K_{\mathrm{IC}}$, in metallischen Werkstoffen. Dabei werden Ermüdungsvorgerissene Probekörper überwiegend im Modus I unter Bedingungen belastet, unter denen das Verhalten im Wesentlichen linear-elastisch bleibt. Das Ergebnis ist nicht einfach „die Zähigkeit des Stahls“. Es handelt sich nur dann um einen qualifizierten Werkstoffkennwert, wenn Probekörper, Riss, Temperatur, Belastungsgeschwindigkeit und Gültigkeitsanforderungen das Modell der ebenen Dehnung erfüllen.

Diese Unterscheidung ist wichtig, weil $K_{\mathrm{IC}}$ die Spannungsintensität bei instabiler Rissausbreitung unter hoher Rissspitzenbehinderung beschreibt. Der Kennwert misst weder Streckgrenze, Härte, Duktilität noch Ermüdungsfestigkeit. Ein Stahl kann eine hohe Zugfestigkeit aufweisen und dennoch eine schlechte Rissbeständigkeit bei niedrigen Temperaturen zeigen. Umgekehrt kann ein Stahl mit mittlerer Festigkeit einen größeren Riss tolerieren, wenn seine Mikrostruktur und die Prüfbedingungen eine höhere Bruchbeständigkeit bewirken.

Die Grundlage bildet A. A. Griffiths Energiekriterium: Ein Riss breitet sich aus, wenn die durch einen kleinen Zuwachs des Risswachstums freigesetzte elastische Energie ausreicht, um die neuen Bruchflächen zu erzeugen. G. R. Irwin beschrieb das elastische Spannungsfeld in der Nähe der Rissspitze durch den Spannungsintensitätsfaktor $K$. Für eine Platte mit einem mittig angeordneten Riss gibt NASA-HDBK-5010, Band 2, die Beziehung für Modus I wie folgt an:

$$K=\beta \sigma \sqrt{\pi a},$$

wobei $\beta$ die Geometrie berücksichtigt, $\sigma$ die angelegte Spannung und $a$ die nach der gewählten Konvention verwendete Rissabmessung ist. Die Gleichung zeigt, warum ein Zähigkeitswert nicht unabhängig von Rissgröße, Spannung und Geometrie betrachtet werden kann. Auch AFGROW behandelt das Verhalten an der Rissspitze im elastischen Bereich als Funktion von Belastung, Geometrie und Rissabmessungen.

Ein gültiges $K_{\mathrm{IC}}$-Ergebnis ist daher ein Grenzwert für das Bruchverhalten und kein universeller, werkstoffgütenunabhängiger Kennwert. Das Ergebnis gilt für eine definierte Bedingung des Modus I unter ebener Dehnung. Es sollte nicht unmittelbar anstelle von $J_{\mathrm{IC}}$, CTOD oder einem R-Kurven-Wert verwendet werden. ASTM E1820 kann die Bruchzähigkeit im Modus I anhand von $K$, $J$ und CTOD bewerten, einschließlich Punktwerten und Widerstandskurven, während ISO 12135:2021 quasistatische Verfahren unter Verwendung von $K$, der Rissspitzenöffnungsverschiebung $\delta$, $J$ und Widerstandskurven abdeckt. Diese Verfahren befassen sich mit Situationen, in denen elastisch-plastisches Verhalten an der Rissspitze von Bedeutung ist.

Kleinmaßstäbliches Fließen und Grenzen der plastischen Zone

LEFM setzt voraus, dass der größte Teil des Probekörpers elastisch bleibt und dass jede Plastizität auf einen kleinen Bereich unmittelbar vor der Rissspitze beschränkt ist. Dieser Bereich, der üblicherweise als plastische Zone an der Rissspitze bezeichnet wird, muss im Vergleich zur Probekörperdicke, zum Restligament, zur Risslänge und zu anderen für die Prüfung maßgebenden Abmessungen klein sein. Wird er zu groß, repräsentiert die gemessene Belastung kein überwiegend elastisches Spannungsfeld an der Rissspitze mehr. Das Ergebnis kann weiterhin die geprüfte Geometrie beschreiben, ist jedoch kein qualifiziertes $K_{\mathrm{IC}}$ unter ebener Dehnung.

Der physikalische Grund ist unmittelbar verständlich. Plastische Verformung stumpft die Rissspitze ab, verteilt die Spannung um und entspannt das von Irwins Lösung vorhergesagte singuläre elastische Feld. Unter Bedingungen kleinmaßstäblichen Fließens ist dieser veränderte Bereich ausreichend begrenzt, sodass $K$ das umgebende Feld weiterhin charakterisiert. Sobald die plastische Zone einen wesentlichen Teil des Restligaments oder der Dicke einnimmt, kann ein einzelner elastischer Parameter den Zustand an der Rissspitze nicht mehr zutreffend beschreiben.

Eine höhere angelegte Spannung vergrößert die plastische Zone. Das Gleiche gilt für eine niedrigere Streckgrenze. Ein dünner Probekörper ermöglicht außerdem mehr Verformung durch die Dicke und mehr plastische Entspannung als ein dicker Probekörper. Diese Effekte können zu einer scheinbar höheren Bruchlast führen, obwohl das Ergebnis eine verringerte Behinderung und nicht eine höhere intrinsische Beständigkeit gegen Rissausbreitung widerspiegelt. Ein solches Ergebnis ohne Erfüllung der Gültigkeitsanforderungen der Norm als $K_{\mathrm{IC}}$ zu bezeichnen, würde die Aussagekraft der Prüfung überbewerten.

Wenn elastisch-plastisches Verhalten das Ereignis bestimmt, sind $J$, CTOD oder eine Widerstandskurve in der Regel aussagekräftiger. ASTM E1290 konzentriert sich auf kritische CTOD-Werte bei festgelegten Ereignissen der Rissausbreitung und ist besonders für Stähle geeignet, die bei sinkender Temperatur einen duktil-spröden Übergang zeigen. ISO 15653:2018 gilt für verwandte Verfahren zur Bestimmung der Bruchzähigkeit von Schweißverbindungen, einschließlich Ermüdungsrissen im Schweißgut und in Wärmeeinflusszonen. Die Lage des Risses kann dabei ebenso wichtig sein wie die nominale Blechbezeichnung.

Behinderung, Dicke und Gültigkeit des Probekörpers

ZwangZwang Das Maß, in dem das umgebende Material die plastische Verformung an einer Rissspitze behindert; ein größerer Zwang fördert im Allgemeinen mehrachsige Spannungen und kann die scheinbare Bruchtragfähigkeit verringern.

Die Behinderung beschreibt, wie stark das umgebende Material den plastischen Fluss an der Rissspitze verhindert. Die ebene Dehnung, die üblicherweise durch eine größere Dicke und ein ausreichend großes Restligament begünstigt wird, erzeugt eine stärkere Behinderung als der ebene Spannungszustand. Eine stärkere Behinderung unterdrückt die plastische Entspannung und kann die während der Prüfung gemessene scheinbare Bruchtragfähigkeit verringern. Derselbe Stahl kann daher in dünnen und dicken Querschnitten oder in Probekörpern mit unterschiedlichen Rissorientierungen und Ligamentabmessungen unterschiedliche Zähigkeitswerte ergeben.

Die Dicke ist kein nebensächliches Prüfdetail. Sie verändert den Spannungszustand über den Querschnitt und beeinflusst, ob die Rissspitze die für eine Interpretation unter ebener Dehnung erforderliche mehrachsige Behinderung erfährt. Auch die Probekörpergeometrie ist von Bedeutung: Kompaktzug- und Biegeversuche an Probekörpern mit einseitigem Randriss können unterschiedliche Kombinationen aus Risslänge, Ligament, Biegung und Behinderung erzeugen. Ein Ergebnis aus einer Geometrie sollte nicht ohne Prüfung der entsprechenden Bedingungen an der Rissspitze auf ein Bauteildetail übertragen werden.

Die Leitlinien der FHWA für Stahlbrücken formulieren die Auswirkungen auf die Auslegung unmittelbar: Kombinationen aus Rissgröße und Spannung unterhalb von $K=K_{\mathrm{IC}}$ sind innerhalb des jeweils anwendbaren bruchmechanischen Modells stabil, während höherfeste und dickere Stähle möglicherweise eine höhere Zähigkeit erfordern, weil Spannung und Behinderung an der Rissspitze das Bruchrisiko erhöhen. Die Leitlinien legen keinen einzigen numerischen Grenzwert für eine bestimmte Werkstoffgüte fest, der für jedes Brückendetail gilt. Ingenieure müssen die tatsächliche Fehlergröße, den Spannungsbereich, die Geometrie, die Dicke, die Stahlfestigkeit, die Temperatur und die Annahmen zur Inspektion bewerten.

Ein angegebener Wert sollte daher entsprechend seinem Status gekennzeichnet werden. Ein qualifiziertes $K_{\mathrm{IC}}$ erfüllt die maßgeblichen Anforderungen an ebene Dehnung und die Gültigkeit des Probekörpers. Ein bedingter Wert, der häufig als $K_Q$ bezeichnet wird, ist ein gemessenes Bruchergebnis, für das diese Anforderungen nicht nachgewiesen wurden. Ein geometrieabhängiger elastisch-plastischer Wert kann für diesen Probekörper und diese Belastungsanordnung nützlich sein, ist jedoch nicht mit $K_{\mathrm{IC}}$ austauschbar. Temperatur, Belastungsgeschwindigkeit, Rissorientierung, Lage der Schweißverbindung und stabiles Risswachstum können das maßgebende Ergebnis verändern, bevor ein instabiler Bruch eintritt. Deshalb muss die Leistung an der Rissspitze auf den bei der Auslegung verwendeten Parameter und das zugehörige Gültigkeitsmodell abgestimmt werden.

Elastisch-plastische Zähigkeit: J, CTOD und R-Kurven

Die linear-elastische Bruchmechanik (LEFM) ist anwendbar, wenn die plastische Zone an der Rissspitze im Vergleich zum Prüfkörper und zum verbleibenden Reststeg klein ist. Unter diesen Bedingungen beschreibt der Spannungsintensitätsfaktor $K$ die Intensität des elastischen Feldes an der Rissspitze, und $K_{\mathrm{IC}}$ kann die Bruchzähigkeit unter Ebenenverzerrungsbedingungen darstellen. ASTM E399-24 bestimmt $K_{\mathrm{IC}}$ an metallischen Prüfkörpern mit Ermüdungsvorriß unter überwiegend linear-elastischen Bedingungen im Ebenenverzerrungszustand. Die Anforderungen an die Gültigkeit sind keine verwaltungstechnischen Einzelheiten: Wenn sich die Plastizität über einen zu großen Teil des Reststegs ausbreitet, ist ein angegebener Wert für $K_{\mathrm{IC}}$ keine gültige Werkstoffgrenze unter Ebenenverzerrungsbedingungen.

Wenn Stahl an einem Riss plastisch zu fließen beginnt, wird das Feld an der Rissspitze ungleichförmig, und die aufgebrachte Belastung wird nicht mehr allein durch $K$ ausreichend beschrieben. Plastische Verformung absorbiert Energie, verändert die Einspannung an der Rissspitze und kann vor dem instabilen Bruch zu stabilem Risswachstum führen. Die Untersuchung des Stahlbruchs durch NIST aus dem Jahr 2008 beschreibt elastisch-plastische Prüfungen als Möglichkeit, diese komplexen Spannungs-Dehnungs-Verteilungen zu berücksichtigen und die Vorhersagen für instabile Rissausbreitung zu verbessern. Das relevante Ergebnis kann dann ein J-Wert, ein CTOD-Wert oder eine vollständige Widerstandskurve anstelle eines einzelnen $K_{\mathrm{IC}}$-Wertes sein.

ASTM E1820 und J-basierte Widerstandskurven

Das J-Integral ist ein elastisch-plastischer Parameter zur Beschreibung der Rissbeanspruchung. Physikalisch stellt es die für die Rissverlängerung verfügbare Energie pro Einheit der neu erzeugten Rissfläche dar; seine Einheiten sind Energie pro Fläche, üblicherweise ${\text{kJ/m}}^2$ oder $\text{N/mm}$. Bei einem ausreichend eingespannten Riss und unter Bedingungen, unter denen das J-Feld die Verformung in der Nähe der Rissspitze charakterisiert, kann J die Intensität sowohl der elastischen als auch der plastischen Belastung der Rissspitze beschreiben. J ist nicht lediglich eine andere Bezeichnung für $K$.

Im Grenzfall der linear-elastischen Beanspruchung verknüpft eine Beziehung wie

$$J=\frac{K^2}{E\prime }$$

die Parameter, wobei $E\prime =E$ für den Ebenenspannungszustand und $E\prime =E/(1-{\nu }^2)$ für den Ebenenverzerrungszustand gilt. Diese Gleichung macht J und K im Allgemeinen nicht austauschbar. Sie gilt unter festgelegten Annahmen für den elastischen Beitrag; plastische Arbeit, Prüfkörpergeometrie, Rissverlängerung und Einspannung können dazu führen, dass sich die gemessenen Größen unterschiedlich verhalten.

ASTM E1820 enthält Verfahren für den Modus I unter Verwendung von K, J und CTOD, die entweder als Punktwerte oder als Widerstandskurven angegeben werden. Kompaktzugprüfkörper (Compact-Tension- oder C(T)-Prüfkörper) und einseitig gekerbte Biegeprüfkörper (Single-Edge-Bend- oder SE(B)-Prüfkörper) sind gängige Konfigurationen. Eine Prüfung beginnt mit einem ermüdungsvorgerissenen Prüfkörper; anschließend werden Kraft und Verschiebung während der Belastung des Risses aufgezeichnet. Änderungen der Nachgiebigkeit, Entlastungsverfahren oder Messungen nach der Prüfung können verwendet werden, um die Rissverlängerung abzuschätzen und die elastischen von den plastischen Beiträgen zu J zu trennen.

Ein Wert wie $J_{\mathrm{IC}}$ ist daher bedingt. Er hängt von den Definitionen der Norm hinsichtlich des Einleitungsereignisses, der Prüfkörpergröße, der Rissvorbereitung, der Datenauswertung und der Gültigkeit ab. Ein kleiner Prüfkörper kann ein nützliches Screening-Ergebnis liefern, jedoch die Anforderungen an Größe oder Einspannung verfehlen, die für eine übertragbare Einleitungsbruchzähigkeit erforderlich sind. Die gleiche Vorsicht gilt für Schweißnähte: ISO 15653:2018 behandelt Risse im Schweißgut und in Wärmeeinflusszonen und verwendet K, CTOD $\delta$ sowie das experimentelle Äquivalent des J-Integrals. Werte des Grundwerkstoffs können nicht automatisch stellvertretend für diese Bereiche verwendet werden.

CTOD als Verschiebung an der Rissspitze

CTOD, geschrieben als $\delta$, misst die Öffnungsverschiebung an der Rissspitze. Anstatt die Rissbeanspruchung als Energiefluss oder als Amplitude des elastischen Spannungsfeldes auszudrücken, beschreibt CTOD, wie weit sich die beiden Rissflanken in der Nähe der ursprünglichen Rissspitze voneinander entfernen. In einem plastisch fließenden Stahl umfasst diese Öffnung die Auswirkungen der Abstumpfung der Rissspitze und der plastischen Verformung. Ein kritischer CTOD-Wert wird erreicht, wenn ein festgelegtes Bruch- oder Rissverlängerungsereignis eintritt.

Dadurch ist CTOD besonders nützlich, wenn die Plastizität erheblich ist und eine verschiebungsbasierte Beschreibung eng mit dem beobachteten Risswachstum übereinstimmt. ASTM E1290 konzentriert sich auf kritische CTOD-Werte bei festgelegten Rissverlängerungsereignissen und ist insbesondere für Stähle relevant, die bei sinkender Temperatur einen duktil-spröden Übergang durchlaufen. Eine Prüfung bei niedriger Temperatur kann vor dem Spaltbruch nur ein geringes stabiles Risswachstum zeigen, während eine wärmere Prüfung zunächst eine Abstumpfung und anschließend eine duktile Rissverlängerung erkennen lassen kann. Das ausgewählte Ereignis ist von Bedeutung.

CTOD und J stehen über bruchmechanische Modelle und normenspezifische Umrechnungsverfahren miteinander in Beziehung, messen jedoch unterschiedliche Größen. Ein CTOD-Wert lässt sich ohne Annahmen zum Feld an der Rissspitze, zur Streckgrenze, zur Geometrie und zum Verformungszustand nicht automatisch in $J_{\mathrm{IC}}$ umrechnen. Ebenso ist CTOD nicht gleich $K_{\mathrm{IC}}$. ISO 12135:2021 ordnet K, CTOD $\delta$, J und Widerstandskurven in einen gemeinsamen quasistatischen Rahmen für homogene metallische Prüfkörper ein; dieser gemeinsame Rahmen hebt ihre unterschiedlichen Definitionen jedoch nicht auf.

Widerstandskurven im Vergleich zu Einzelwerten

Eine R-Kurve zeichnet die Bruchwiderstandsfähigkeit während des Fortschreitens der Rissverlängerung auf. Die horizontale Variable ist üblicherweise das stabile Risswachstum, $\Delta a$; die vertikale Variable kann J, CTOD oder ein anderer zulässiger Bruchparameter sein. Die Kurve kann ansteigen, weil sich der Riss abstumpft, sich plastisch verformt und anschließend eine zunehmende Rissbeanspruchung erforderlich ist, um das Risswachstum fortzusetzen. Ihre Steigung enthält Informationen, die ein einzelner Einleitungswert nicht liefern kann.

Dieser Unterschied ist bei duktilen Baustählen von Bedeutung. Ein Punktwert kann den Beginn einer wesentlichen Rissverlängerung kennzeichnen, während die R-Kurve zeigt, ob der Prüfkörper zusätzliches stabiles Risswachstum tolerieren kann, bevor die aufgebrachte Rissbeanspruchung die Kurve erreicht. Der Schnittpunkt der aufgebrachten J- oder CTOD-Rissbeanspruchung mit der ansteigenden Widerstandskurve kann auf stabiles Risswachstum hindeuten; ein anschließender Verlust des Abstands zwischen Rissbeanspruchung und Widerstand kann auf instabilen Bruch hindeuten. Das Ergebnis hängt von Geometrie und Einspannung ab und ist daher keine universelle Werkstoffgütenkonstante.

Temperatur, Belastungsgeschwindigkeit, Dicke, Lage der Schweißnaht, Rissausrichtung und Prüfkörpergeometrie beeinflussen die Kurve allesamt. Ein C(T)-Ergebnis und ein SE(B)-Ergebnis können sich unterscheiden, selbst wenn sie aus derselben Stahlschmelze entnommen wurden. Eine angegebene „Zähigkeit“ ohne Angabe des Parameters, der Definition der Rissverlängerung, der Prüftemperatur, der Belastungsgeschwindigkeit und der Gültigkeitsgrenzen ist unvollständig. ASTM E1820, ISO 12135:2021 und ISO 15653:2018 stellen Verfahren bereit, erlauben jedoch nicht, J-, CTOD-, K- und R-Kurven-Daten als austauschbar zu behandeln.

Temperatur, duktil-spröder Übergang und Plastizität an der Rissspitze

Temperaturabhängiges Bruchverhalten

Die Temperatur kann das Bruchverhalten von Stahl zwischen duktilem Reißen und sprödem Spaltbruch verschieben. Strong evidence

Stahl besitzt nicht unter allen Betriebsbedingungen eine einheitliche Bruchzähigkeit. Die Temperatur verändert das Gleichgewicht zwischen plastischer Verformung an der Rissspitze und Spaltbruch. Mit sinkender Temperatur wird die Versetzungsbewegung in vielen ferritischen und niedriglegierten Stählen erschwert. Eine Rissspitze, die zuvor durch plastisches Fließen abgestumpft werden konnte, kann stattdessen eine kritische Spannung für einen schnellen Spaltbruch erreichen. Das Ergebnis kann ein scharfer Übergang von stabilem, duktilem Risswachstum zu instabilem, sprödem Bruch über einen vergleichsweise engen Temperaturbereich sein.

Dieses Verhalten wird allgemein als duktil-spröder Übergang (DBT) bezeichnet. Es ist insbesondere für kubisch-raumzentrierte ferritische Stähle von Bedeutung, darunter viele Stahlsorten, die in Brücken, Druckgeräten, Rohrleitungen und im Stahlbau eingesetzt werden. Austenitische nichtrostende Stähle zeigen unter üblichen Betriebsbedingungen im Allgemeinen nicht denselben ausgeprägten Übergang, da ihre kubisch-flächenzentrierte Struktur eine größere Duktilität bei tiefen Temperaturen bewahrt. Werkstoffzustand, thermische Schweißhistorie, Belastungsgeschwindigkeit und Umgebung beeinflussen jedoch weiterhin das Bruchverhalten.

Ein bei Raumtemperatur gemessener Zähigkeitswert kann daher nicht automatisch auf ein Bauwerk bei Temperaturen unter null übertragen werden. Auch die Rissantriebskraft muss berücksichtigt werden. NASA-HDBK-5010, Band 2, gibt den Spannungsintensitätsfaktor für den Modus I einer Platte mit mittigem Riss wie folgt an:

$$K=\beta \sigma \sqrt{\pi a}$$

Dabei ist $a$ die Rissgröße, $\sigma$ die aufgebrachte Spannung und $\beta$ ein Geometriekorrekturfaktor. Die Temperatur erscheint in dieser Gleichung nicht explizit, verändert jedoch den Werkstoffwiderstand, mit dem $K$ verglichen wird. Ein Bauteil kann bei zwei Temperaturen derselben Nennspannung und Rissgröße ausgesetzt sein und dennoch sehr unterschiedliche Sicherheitsreserven gegenüber einem Bruch besitzen.

Die Temperaturwirkung ist außerdem geschwindigkeitsabhängig. Eine schnellere Belastung lässt weniger Zeit für den plastischen Spannungsausgleich und kann das scheinbare Übergangsverhalten zu höheren Temperaturen verschieben. Eine ähnliche Wirkung hat die Einspannung. Große Bauteildicken, tiefe Risse, scharfe Rissfronten und stark behinderte Schweißdetails unterdrücken die Verformung an der Rissspitze und machen einen Spaltbruch wahrscheinlicher, als dies ein Versuch an einer dünnen Probe mit flachem Riss vermuten ließe.

Kritische CTOD und übergangsempfindliche Stähle

Die Rissspitzenöffnungsverschiebung oder CTOD $\delta$ beschreibt die Öffnungsverschiebung, die mit der Verformung im Bereich einer Rissspitze verbunden ist. Die kritische CTOD ist keine allgemeine Bezeichnung für eine Stahlsorte. Sie ist ein gemessener Wert, der an ein spezifiziertes Bruchereignis, eine bestimmte Prüfgeometrie, Temperatur, Belastungsgeschwindigkeit und Risslage gebunden ist.

ASTM E1290 behandelt die kritische CTOD bei spezifizierten Ereignissen der Rissverlängerung und ist insbesondere für metallische Werkstoffe relevant, die bei sinkender Temperatur einen duktil-spröden Übergang durchlaufen. Je nach Verfahren und Auslegung kann das Ereignis den Beginn eines stabilen Risswachstums, eine festgelegte Rissverlängerung oder einen instabilen Bruch umfassen. Ein angegebener Wert ${\delta }_c$ benötigt daher die Definition des zugrunde liegenden Ereignisses; Werte, die mit unterschiedlichen Ereignissen verbunden sind, dürfen nicht als austauschbar betrachtet werden.

Bei höheren Temperaturen kann ein ferritischer Stahl eine erhebliche Abstumpfung der Rissspitze mit anschließendem stabilem, duktilem Risswachstum zeigen. Die CTOD kann dann zusammen mit einer Widerstandskurve interpretiert werden, die den zunehmenden Bruchwiderstand bei fortschreitender Rissverlängerung erfasst. Bei niedrigeren Temperaturen kann derselbe Stahl vor dem Spaltbruch nur eine geringe stabile Rissverlängerung zeigen. Die relevante CTOD kann dann stark abfallen, und ein einzelner Punktwert kann den Übergang von einem durch Risswachstum bestimmten Verhalten zu einem durch Spaltbruch bestimmten Versagen verdecken.

ASTM E1820 erlaubt die Bewertung des Modus I anhand von $K$, $J$ und CTOD, entweder als Punktwerte oder anhand von Widerstandskurven. ISO 12135:2021 legt ebenfalls quasistatische Verfahren unter Verwendung der Spannungsintensität, der CTOD $\delta$, des $J$-Integrals und von Widerstandskurven für homogene metallische Proben mit Ermüdungsvorriß fest. Diese Parameter beschreiben miteinander verwandte Vorgänge an der Rissspitze, sind jedoch numerisch nicht austauschbar. $K$ eignet sich für überwiegend elastische Spannungsfelder; $J$ und CTOD sind zweckmäßiger, wenn sich eine erhebliche Plastizität entwickelt.

Diese Unterscheidung wird bei geschweißtem Stahl entscheidend. ISO 15653:2018 behandelt die Bruchzähigkeitsprüfung von Schweißverbindungen mit Ermüdungsrissen, die im Schweißgut oder in Wärmeeinflusszonen liegen, und verwendet $K$, CTOD $\delta$ sowie das experimentelle Äquivalent des $J$-Integrals. Eine Schweißverbindung kann grobkörnige Wärmeeinflusszonen, Einschlüsse, Eigenspannungen, Härtegradienten und örtlich begrenzte spröde Zonen enthalten. Ihr CTOD-Ergebnis kann sich daher deutlich vom Ergebnis der Grundwerkstoffplatte unterscheiden, selbst wenn beide dieselbe Nennbezeichnung des Stahls tragen.

Elastisch-plastischer und dynamischer Bruch

Die linear-elastische Bruchmechanik ist anwendbar, wenn die plastische Zone an der Rissspitze im Vergleich zu den Probenabmessungen und der maßgeblichen Rissgeometrie klein bleibt. ASTM E399-24 nutzt diese Grundlage zur Bestimmung von $K_{\mathrm{IC}}$ unter überwiegend linear-elastischen Bedingungen im ebenen Dehnungszustand an metallischen Proben mit Ermüdungsvorriß. Die Gültigkeitsanforderungen sind maßgeblich. Ein Wert, der diese Anforderungen nicht erfüllt, ist kein gültiges ebener-Dehnungs-$K_{\mathrm{IC}}$, selbst wenn die Prüfung eine scheinbar sauber ausgebildete Bruchfläche ergeben hat.

Wenn die Plastizität erheblich ist, wird das Spannungsfeld an der Rissspitze durch einen einzigen elastischen Spannungsintensitätswert nicht angemessen dargestellt. Das $J$-Integral, die CTOD und Widerstandskurven können die elastisch-plastische Verformung und das stabile Risswachstum erfassen; ihre Interpretation hängt jedoch weiterhin von der Zwangsbedingung und der Probengröße ab. Eine ungleichmäßige Plastifizierung erzeugt Gradienten über die Dicke und entlang der Rissfront. Die örtliche Dehnung kann sich in einem Bereich konzentrieren, während andere Bereiche überwiegend elastisch bleiben.

Die Darstellung des dynamischen Bruchs in Stahl durch NIST aus dem Jahr 2008 erläutert, weshalb elastisch-plastische Bruchzähigkeitsprüfungen erforderlich sind, wenn eine ungleichmäßige Plastizität an der Rissspitze und komplexe Spannungs-Dehnungs-Verteilungen die instabile Rissausbreitung beeinflussen. Bei Stoßbelastung oder rasch zunehmender Belastung kann sich das Verhalten an der Rissspitze von dem eines quasistatischen Versuchs unterscheiden, da plastisches Fließen, Wellenausbreitung, Trägheit und Rissgeschwindigkeit zusammenwirken. Statische Zähigkeitsdaten können dann den während des tatsächlichen Ereignisses verfügbaren Widerstand über- oder unterschätzen.

Jedes aussagekräftige Zähigkeitsergebnis sollte daher den Parameter und die Norm, die Temperatur, die Belastungsgeschwindigkeit, die Probengeometrie, die Dicke und Zwangsbedingungen, die Rissausrichtung und -lage, den Zustand der Schweißverbindung, sofern zutreffend, sowie die Gültigkeitsgrenzen angeben. Ohne diese Angaben ist die Aussage „die Zähigkeit des Stahls“ unvollständig.

Schweißnähte, Wärmeeinflusszonen und lokale Rissspitzenleistung

Ein geschweißtes Stahlbauteil besitzt keinen automatisch übertragbaren Zähigkeitswert. Sein Grundblech, sein Schweißgut, seine Schmelzgrenze und seine Wärmeeinflusszone (WEZ) können sich hinsichtlich Zusammensetzung, Kornstruktur, Eigenspannungen und Rissspitzenbeanspruchung unterscheiden. Ein Zähigkeitsergebnis des Blechs kann daher die Verbindung nur dann qualifizieren, wenn nachgewiesen wird, dass Rissort, Schweißverfahren, Wärmeverlauf und Prüfbedingungen repräsentativ sind.

ISO 15653:2018 für die Bruchzähigkeit von Schweißverbindungen

ISO 15653:2018 legt Bruchzähigkeitsprüfungen für geschweißte metallische Bauteile unter Verwendung des Spannungsintensitätsfaktors $K$, der Rissspitzenöffnungsverschiebung $\delta$ (CTOD) und eines experimentell bestimmten Äquivalents des J-Integrals fest. Diese Parameter beschreiben unterschiedliche Aspekte des Verhaltens der Rissspitze. $K$ ist am besten geeignet, wenn die Verformung hinreichend elastisch bleibt und Kleinskaligplastizität vorliegt. CTOD beschreibt die Öffnungsverschiebung im Zusammenhang mit der elastisch-plastischen Verformung der Rissspitze. J steht für die für eine Rissverlängerung verfügbare Energie und ist nützlich, wenn die Plastizität für eine gültige linear-elastische Interpretation zu umfangreich ist.

Die Norm ist nicht lediglich eine Tabelle von Zähigkeitswerten für verschiedene Schweißnahtgüten. Sie stellt Verfahren für die Herstellung und Prüfung von Probekörpern bereit, deren Ermüdungsrisse gezielt in bestimmten Bereichen der Schweißverbindung positioniert werden. Diese Positionierung ist Bestandteil des Ergebnisses. Ein Probekörper, der mit einem Riss im aufgetragenen Schweißgut geprüft wird, beantwortet eine andere Frage als ein Probekörper, dessen Riss der WEZ folgt oder die Schmelzgrenze erfasst.

Diese Unterscheidung ist von Bedeutung, weil ein angegebener CTOD- oder J-Wert nur zusammen mit Prüftemperatur, Belastungsgeschwindigkeit, Probekörpergeometrie, Rissausrichtung, Rissort und Gültigkeitsbewertung aussagekräftig ist. Ein unter einem bestimmten Verfahren ermitteltes Schweißergebnis kann nicht automatisch jeder Verbindung zugeordnet werden, die aus einem Stahl mit derselben nominellen Stahlbezeichnung hergestellt wurde. Wärmeeintrag, Zwischenlagentemperatur, Schutzgasbedingungen, Zusatzwerkstoffe, Lagenfolge, Einspannung, Wärmebehandlung nach dem Schweißen und Reparaturschweißungen können das Verhalten der lokalen Rissspitze verändern.

ISO 15653:2018 sollte daher zusammen mit den allgemeinen Bruchnormen für homogene Metalle gelesen werden. ISO 12135:2021 behandelt quasistatische Verfahren auf der Grundlage von $K$, $\delta$, J und Widerstandskurven, während ASTM E1820 das Verhalten im Modus I anhand von $K$, J und CTOD bewertet, einschließlich sowohl Einzelwerten als auch Risswachstumswiderstandskurven. Diese Verfahren machen K, J und CTOD nicht austauschbar. Ein kritischer CTOD-Wert bei einem festgelegten Ereignis der Rissverlängerung ist nicht dieselbe Eigenschaft wie $K_{\mathrm{IC}}$, $J_{\mathrm{IC}}$ oder eine R-Kurve.

Schweißgut im Vergleich zur Wärmeeinflusszone

Das Schweißgut erstarrt aus dem Schmelzbad und kann säulenförmige Körner, Seigerungsbänder, Einschlüsse und durch spätere Lagen erzeugte wiedererwärmte Bereiche enthalten. Seine Zähigkeit hängt von der Zusammensetzung des aufgetragenen Schweißguts und vom thermischen Schweißzyklus ab, nicht nur von der nominellen Bezeichnung des Grundblechs. Die Wasserstoffkontrolle, die Abkühlgeschwindigkeit, die Aufmischung und die Chemie des Zusatzwerkstoffs können die entstehende Mikrostruktur und die Wahrscheinlichkeit von Spaltbruch oder duktilem Risswachstum beeinflussen.

Wärmeeinflusszone (WEZ)Wärmeeinflusszone (WEZ) Der Bereich des Grundmetalls neben einer Schweißnaht, dessen Mikrostruktur und Eigenschaften durch die Schweißwärme verändert wurden, ohne dass er aufgeschmolzen wurde.

Auch die WEZ ist kein einheitlicher Werkstoff. Ausgehend von der Schmelzgrenze nach außen kann sie grobkörnige, feinkörnige, interkritische und unterkritische Bereiche umfassen. Die grobkörnige WEZ kann eine verringerte Zähigkeit aufweisen, wenn Spitzentemperaturen das Kornwachstum fördern und die anschließende Abkühlung eine ungünstigere Umwandlungsstruktur hervorbringt. Ein feinkörniger Bereich kann anders reagieren, während eine interkritische Zone gemischte umgewandelte und nicht umgewandelte Bereiche enthalten kann. Das lokale Minimum kann in einem schmalen Band liegen, das ein großflächig positionierter Ermüdungsriss nicht erfasst.

Die Positionierung des Ermüdungsrisses ist daher entscheidend. Ein im Schweißgut zentrierter Riss misst hauptsächlich das aufgetragene Schweißgut und seine lokalen Fehler. Ein in der WEZ positionierter Riss misst einen ausgewählten thermischen Teilbereich, sofern der Ermüdungsvorriß an der vorgesehenen Stelle verbleibt. Ein entlang der Schmelzgrenze ausgerichteter Riss untersucht eine Grenzfläche mit abrupten Änderungen der Zusammensetzung, der Kornorientierung, der Härte und des Verformungsverhaltens. Bereits geringe Abweichungen bei der Ausrichtung der Kerbe können den Riss in einen anderen Bereich verlagern und die scheinbare Zähigkeit verändern.

Das Ergebnis kann außerdem davon abhängen, ob die Prüfung den Bruchbeginn oder stabiles Risswachstum erfasst. Ein Bereich der Schweißverbindung kann dem anfänglichen Spaltbruch widerstehen und dennoch nach Beginn der Rissverlängerung ein schnelles duktiles Risswachstum zeigen; ein anderer kann stabiles Wachstum zulassen, aber bei einem niedrigen Initiierungswert versagen. Daten aus Widerstandskurven können diesen Unterschied deutlicher sichtbar machen als ein einzelner kritischer Punkt.

Mikrostruktur, Eigenspannungen und Risspositionierung

Schweißeigenspannungen verändern den Ausgangsspannungszustand am Riss. Zugeigenspannungen können die effektive Öffnungsbelastung an einem Fehler erhöhen, selbst wenn die von außen aufgebrachte Nennspannung mäßig ist. Sie können außerdem das Wachstum des Ermüdungsvorrißes verändern und mit der durch ein dickes Blech, eine steife Reparaturstelle oder eine nahegelegene Schweißnaht hervorgerufenen Rissspitzenbeanspruchung zusammenwirken. Spannungsarmglühen, Umlagerungen im Betrieb und lokales Fließen erschweren die Interpretation, rechtfertigen jedoch nicht, Eigenspannungen bei der Bewertung zu ignorieren.

Die lokale Rissspitzenbeanspruchung ist ebenso wichtig. Derselbe Nennstahl kann in einem dünnen Probekörper, einer dickwandigen eingespannten Verbindung und einem hochgradig mehrachsigen konstruktiven Detail ein unterschiedliches Verhalten der Rissspitze zeigen. In linear-elastischer Betrachtung gibt NASA-HDBK-5010, Volume 2, für eine mittig eingerissene Platte $K=\beta \sigma \sqrt{\pi a}$ an, wobei $\beta$ die Geometrie repräsentiert. Eine Schweißnaht verändert mehr als nur die Geometrie: Elastizitätsmodul, Streckgrenzenverhalten, Wärmespannung und Rissfrontform können über den Probekörper hinweg variieren.

Einschlüsse und Bindefehler können als lokale Spannungskonzentratoren wirken oder vor dem Hauptriss Mikroporen initiieren. An der Schmelzgrenze können kristallografische Veränderungen und nicht übereinstimmende Verformung die lokale Rissspitzenbeanspruchung verstärken. Diese Effekte können zu Bruchpfaden führen, die den vorgesehenen Bereich verlassen, insbesondere wenn der Riss auf eine zähere oder schwächere benachbarte Zone trifft.

Eine belastbare Interpretation der Schweißnahtzähigkeit erfordert daher die Angabe des Schweißverfahrens, des Schweißnahtbereichs, der Rissausrichtung, der Temperatur, der Belastungsart, der Probekörperabmessungen und des Versagensereignisses. Ohne diese Informationen beschreibt ein numerisches Ergebnis eine einzige geprüfte lokale Konfiguration – nicht jede Schweißnaht, die aus diesem Grundstahl hergestellt wurde.

Ermüdungsrisswachstum und die Rolle von ΔK

Von der zyklischen Belastung zum kritischen Bruch

Eine Stahlkonstruktion kann einen Riss über viele Tausend oder Millionen Belastungszyklen tolerieren, ohne dass es zu einem sofortigen Bruch kommt. Das bedeutet nicht, dass der Riss harmlos ist. Jeder Zugbelastungszyklus kann den Riss geringfügig verlängern, wodurch der verbleibende Restquerschnitt allmählich abnimmt und die Spannungsintensität an der Rissspitze zunimmt. Das Ermüdungsrisswachstum ist daher ein unterkritischer Prozess; der endgültige Bruch ist ein davon getrenntes Ereignis, das durch den Zustand an der Rissspitze bei der maximal aufgebrachten Last bestimmt wird.

Diese Unterscheidung folgt dem von A. A. Griffith begründeten und von G. R. Irwin erweiterten Rahmen. Das Energiekriterium von Griffith beschreibt, wann eine Rissverlängerung energetisch günstig wird, während Irwins Formulierung der Spannungsintensität die aufgebrachte Last, die Rissgeometrie und das Spannungsfeld an der Rissspitze miteinander in Beziehung setzt. Für eine Platte mit einem mittig angeordneten Riss gibt NASA-HDBK-5010, Band 2, die Beziehung für Modus I an:

$$K=\beta \sigma \sqrt{\pi a}$$

Dabei ist $K$ der Spannungsintensitätsfaktor, $\beta$ ein Geometriekorrekturfaktor, $\sigma$ die aufgebrachte Nennspannung und $a$ die im Modell verwendete Rissabmessung. Dieselbe Nennspannung erzeugt unterschiedliche Bedingungen an der Rissspitze, wenn sich Rissform, Position, freie Oberflächen, Dicke oder Strukturgeometrie ändern.

Während einer zyklischen Belastung kann der Riss wachsen, obwohl der maximale Wert von $K$ unterhalb des jeweils geltenden Bruchzähigkeitsgrenzwerts bleibt. Sobald der Riss ausreichend groß wird oder die aufgebrachte Spannung ausreichend ansteigt, kann der Zustand bei maximaler Last einen kritischen Wert wie $K_{\mathrm{IC}}$, einen kritischen CTOD-Wert oder ein J-basiertes Bruchkriterium erreichen. Danach kann eine instabile Rissausbreitung einsetzen. Eine Konstruktion kann wiederholte Betriebslasten unterhalb des kritischen $K$-Werts daher überstehen und dennoch eine Rissverlängerung akkumulieren. „Unterhalb von $K_{\mathrm{IC}}$“ ist nicht gleichbedeutend mit „keine Schädigung“.

Diese Trennung erklärt auch, warum Bruchzähigkeit nicht dieselbe Werkstoffeigenschaft wie Ermüdungsbeständigkeit ist. Ein hoher $K_{\mathrm{IC}}$-Wert kann einen instabilen Bruch verzögern, gibt jedoch für sich allein nicht die Geschwindigkeit der Ermüdungsrissverlängerung an. Umgekehrt kann eine Risswachstumsbewertung keine Zähigkeitsprüfung ersetzen. ASTM E399-24 bestimmt $K_{\mathrm{IC}}$ unter überwiegend linear-elastischen Bedingungen im ebenen Dehnungszustand an metallischen, durch Ermüdung vorgerissenen Proben; ihre Gültigkeit hängt davon ab, dass die Plastizität an der Rissspitze im Verhältnis zu den Probenabmessungen begrenzt bleibt.

ΔK als ermüdungswirksamer Parameter

Für einen Zyklus mit minimalen und maximalen Lasten ist der Spannungsintensitätsbereich für Modus I

$$\Delta K=K_{\max }-K_{\min }.$$

NASA-HDBK-5010, Band 2, weist ΔK als maßgebenden Parameter für das zyklische Risswachstum innerhalb des jeweils geltenden linear-elastischen Ermüdungsbruchmodells aus. Der Maximalwert $K_{\max }$ erfüllt eine andere Funktion: Er wird hinsichtlich des Bruchkriteriums für ein sofortiges Versagen überprüft. Die alleinige Verwendung von $K_{\mathrm{IC}}$ zur Vorhersage der Ermüdungslebensdauer verwechselt diese beiden Prüfungen.

Bei der Berechnung von ΔK müssen die Rissgeometrie und der Lastbereich verwendet werden, nicht lediglich der Nennspannungsbereich. Für eine Platte mit einem mittig angeordneten Riss und fester Geometrie kann der Bereich wie folgt geschrieben werden:

$$\Delta K=\beta \Delta \sigma \sqrt{\pi a},$$

jedoch kann sich $\beta$ mit der Risslänge, der endlichen Breite, der Nähe zu einem Rand, der Biegung, mit Bohrungen, Versteifungen oder Schweißnahtdetails ändern. Ein Oberflächenriss, ein Eckriss, ein eingebetteter Fehler und ein durch die gesamte Dicke verlaufender Riss haben nicht denselben Korrekturfaktor. Das Handbuch zur Schadenstoleranz von AFGROW aus dem Jahr 2024 beschreibt die Reaktion an der Rissspitze ebenfalls anhand eines Spannungsintensitätsfaktors, der von der Belastung, der Geometrie und den Rissabmessungen abhängt.

Auch das Lastverhältnis ist von Bedeutung. Definiert man $R=K_{\min }/K_{\max }$, können zwei Zyklen mit demselben ΔK ein unterschiedliches Wachstumsverhalten hervorrufen, wenn sich ihre Mittelspannungen unterscheiden. Rissschließung, Zugeigenspannung, Plastizität an der Rissspitze und Lastfolgenwirkungen können die effektive treibende Kraft verändern. Ein Zyklus mit negativem oder niedrigem $R$-Wert kann den Riss teilweise schließen, während ein Zyklus mit hohem $R$-Wert ihn während eines größeren Teils des Belastungsverlaufs offen hält. Die Bewertung muss daher das Lastspektrum und das Risswachstumsmodell angeben, anstatt einem Stahlwerkstoff pauschal eine universelle Wachstumsrate zuzuordnen.

Auch der maßgebende Belastungsmodus muss bestimmt werden. Die Öffnung im Modus I bildet üblicherweise die Grundlage für ΔK, doch Scher- und Aufreißanteile können die Nahtübergänge von Schweißnähten, Schweißnahtfehler, Befestigungsbohrungen und komplexe Strukturverbindungen beeinflussen. Wenn die Plastizität an der Rissspitze im Verhältnis zu den Abmessungen der Probe oder der Konstruktion nicht gering ist, können Verfahren auf Grundlage des J-Integrals, des CTOD oder von Widerstandskurven besser geeignet sein. ASTM E1820 und ISO 12135:2021 behandeln diese unterschiedlichen Bruchparameter; ihre Werte sind nicht mit $K_{\mathrm{IC}}$ austauschbar.

Prüfintervalle und Restfestigkeit

Die Schadenstoleranz beginnt mit der Annahme eines anfänglichen Fehlers, der häufig anhand der Fertigungsqualität, von Daten zu Schweißnahtfehlern, der bisherigen Prüfleistungsfähigkeit oder einer festgelegten kritischen Nachweisgröße ausgewählt wird. Anschließend wird der Riss mithilfe eines geeigneten ΔK-basierten Modells durch das Betriebslastspektrum fortgeschrieben, wobei Anpassungen für Lastverhältnis, Geometrie, Eigenspannung, Temperatur und Position der Schweißnaht vorgenommen werden. Schweißgut und Wärmeeinflusszonen können separate Eigenschaften und Risspositionen erfordern; ISO 15653:2018 behandelt speziell die Bruchzähigkeit von Schweißverbindungen unter Verwendung von $K$, CTOD $\delta$ und dem experimentellen Äquivalent des J-Integrals.

Prüfintervalle sollten an das vorhergesagte Zeitintervall zwischen der angenommenen nachweisbaren Rissgröße und der kritischen Größe gekoppelt werden, wobei die Modellunsicherheit und der Prüfungsfehler zu berücksichtigen sind. Bei jeder Bewertungsstufe wird die Restfestigkeit anhand von $K_{\max }$ und nicht anhand von ΔK geprüft. Die Berechnung untersucht, ob die aktuelle Rissgröße und die maximale Betriebslast unterhalb des jeweils geltenden Zähigkeits- oder Widerstandskurvengrenzwerts bleiben. Temperatur, Dicke, Zwangsbedingungen, Belastungsgeschwindigkeit und Rissposition können die Sicherheitsmarge verringern, insbesondere bei dicken Querschnitten oder in der Nähe des Übergangs vom duktilen zum spröden Bruchverhalten.

Das Ergebnis ist eine miteinander verknüpfte Abfolge: einen Ausgangsfehler annehmen, die unterkritische Verlängerung vorhersagen, vor Erreichen des zulässigen Grenzwerts prüfen und die Restfestigkeit anhand eines Bruchzähigkeitskriteriums verifizieren. In beiden Teilen dieser Abfolge kann es zum Versagen kommen. Ein Riss kann zwischen zwei Prüfungen zu weit wachsen, oder ein zuvor zulässiger Riss kann auf eine hohe Maximallast treffen und sofort zum Bruch führen. Deshalb müssen Ermüdungslebensdauer und Bruchzähigkeit als getrennte, miteinander verbundene Größen angegeben und bewertet werden.

Anwendung von Normen und Zähigkeitsdaten bei der Stahlauslegung

Ein Ergebnis der Bruchzähigkeit ist keine allgemeine Eigenschaft einer Stahlsorte in dem Sinne, wie es die nominale Streckgrenze ist. Es beschreibt einen definierten Riss, eine definierte Probengeometrie, einen Belastungsmodus, eine Temperatur und ein Versagenskriterium. Anschließend muss das Ergebnis auf den Riss und das Spannungsfeld im Bauteil bezogen werden. Ein KIC-Wert aus einer dicken, durch Ermüdung vorgerissenen Probe kann nicht einfach anstelle eines CTOD-Werts aus einer Schweißprüfung oder einer an einem duktilen Stahl gemessenen J-R-Kurve verwendet werden.

Auswahl eines Prüfverfahrens

ASTM E399-24 ist anzuwenden, wenn die Auslegungsfrage den gültigen kritischen Spannungsintensitätsfaktor KIC unter ebener Dehnung und linear-elastischen Bedingungen betrifft. Das Verfahren verwendet durch Ermüdung vorgerissene metallische Proben und ist nur anwendbar, wenn die plastische Zone an der Rissspitze im Vergleich zu den Probenabmessungen klein bleibt. Die Gültigkeitsanforderungen sind keine administrativen Einzelheiten: Eine unzureichende Dicke, übermäßiges plastisches Fließen oder ein ungültiges Probenergebnis bedeutet, dass der angegebene Wert kein gültiger KIC-Wert ist, selbst wenn die Prüfung zu einem sauberen Bruch geführt hat.

Für elastisch-plastisches Verhalten sind ASTM E1820 oder ISO 12135:2021 auszuwählen. ASTM E1820 bewertet den Bruch im Modus I anhand von K, J und der Rissspitzenöffnungsverschiebung (CTOD), entweder als Einzelwert oder als Widerstandskurve. ISO 12135:2021 stellt quasistatische Verfahren für K, CTOD δ, J und R-Kurven an durch Ermüdung vorgerissenen homogenen metallischen Proben bereit. Diese Verfahren sind besser geeignet, wenn eine erhebliche Plastizität an der Rissspitze auftritt, wenn ein stabiles Risswachstum von Bedeutung ist oder wenn ein J-Integral oder eine Widerstandskurve anstelle eines einzelnen linear-elastischen Kennwerts erforderlich ist.

ASTM E1290 ist für eine auf CTOD ausgerichtete Bewertung anzuwenden, insbesondere wenn die kritische Rissspitzenöffnungsverschiebung bei einem festgelegten Ereignis des Risswachstums die maßgebende Auslegungsgröße ist. CTOD ist häufig bei Stählen nützlich, die mit abnehmender Temperatur von einem duktilen in ein sprödes Verhalten übergehen. Ein kritischer CTOD-Wert bleibt jedoch an die Definition des Ereignisses, die Probengeometrie und die Prüftemperatur gebunden. Er ist nicht mit JIC oder KIC austauschbar.

Geschweißte Konstruktionen erfordern ein schweißnahtspezifisches Verfahren. ISO 15653:2018 behandelt die Prüfung der Bruchzähigkeit von Schweißverbindungen anhand von K, CTOD δ und dem experimentellen Äquivalent des J-Integrals, wobei die Ermüdungsrisse im Schweißgut oder in Wärmeeinflusszonen positioniert werden. Diese Unterscheidung ist von Bedeutung, weil Schweißgut, grobkörniges Material der Wärmeeinflusszone, interkritische Bereiche und unbeeinflusster Grundwerkstoff unterschiedliche Mikrostrukturen, Eigenspannungen, Einschlüsse und Übergangstemperaturen aufweisen können. Ein Ergebnis am Grundwerkstoff qualifiziert nicht automatisch jede Stelle einer Schweißverbindung.

Die Auswahl hängt außerdem von der Belastung ab. Die Öffnungsbelastung im Modus I ist der übliche Ausgangspunkt, doch Belastungen im gemischten Modus, Stoß- oder dynamische Belastungen, zyklisches Risswachstum und das Weiterreißen nach der Rissinitiierung können eine gesonderte Analyse erfordern. NASA-HDBK-5010, Band 2, gibt die Intensität im Modus I für eine mittig gerissene Platte wie folgt an:

$$K=\beta \sigma \sqrt{\pi a},$$

wobei β ein Geometriekorrekturfaktor, σ die aufgebrachte Spannung und a die vom Modell verwendete Rissabmessung ist. Bei zyklischer Belastung bestimmt ΔK — nicht KIC — die Geschwindigkeit des Ermüdungsrisswachstums. Eine statische Bruchzähigkeitsprüfung kann kein Gesetz für das Ermüdungsrisswachstum liefern.

Einen Zähigkeitsbericht richtig lesen

Beginnen Sie mit der Bezeichnung des Stahls und der Produktform: So ist beispielsweise ein Blech aus ASTM A572/A572M Grade 50 nicht automatisch einem Schweißzusatzwerkstoff, einem Walzprofil oder einem vergüteten Blech mit einer anderen Bezeichnung gleichzusetzen. Dokumentieren Sie die Wärmebehandlung, die Dicke und, sofern angegeben, die Daten zur Festigkeit und Übergangstemperatur.

Der Bericht sollte den Probentyp und die Probenabmessungen, beispielsweise Kompaktzug- oder einseitig gekerbte Biegeproben, sowie die Orientierung angeben. „L-T“ und „T-L“ bezeichnen unterschiedliche Beziehungen zwischen der Rissrichtung und der Walzrichtung des Produkts; sie können zu unterschiedlichen Ergebnissen führen. Bei einer Schweißverbindung ist festzustellen, ob der Riss im Schweißgut, in der Schmelzlinie, in der grobkörnigen Wärmeeinflusszone oder an einer anderen gezielt untersuchten Stelle liegt.

Außerdem sind das Verfahren zur Erzeugung des Ermüdungsvorrisses, die abschließende Messung der Risslänge, die Prüftemperatur, die Belastungsgeschwindigkeit und die Belastungssteuerung zu dokumentieren. Die Temperatur muss auf den Anwendungsfall bezogen sein und darf nicht lediglich als Raumtemperatur beschrieben werden. Der Bericht sollte den Bruchparameter — KIC, bedingtes KQ, JIC, CTOD δ oder einen Punkt auf einer J-R-Kurve — angeben und die Gültigkeitsaussage der Norm enthalten. Ein bedingtes KQ ist kein gültiger KIC, sofern die Anforderungen an ebene Dehnung und Probengröße nicht erfüllt sind.

Überprüfen Sie schließlich das Versagensbild. Spaltbruch, duktiles Weiterreißen, Pop-in, stabiles Risswachstum und gemischter Bruch haben unterschiedliche Aussagekraft. Ein numerischer Wert ohne Angaben zum Bruchbild und zur Aufzeichnung des Risswachstums verschleiert den Mechanismus, der das Ergebnis bestimmt hat.

Von der Laborprobe zur Bauteilbewertung

Die Laborprobe liefert ein Ergebnis der Werkstoffcharakterisierung unter einem bestimmten Zwangszustand. Das Bauteil weist eine eigene Rissgeometrie, Dicke, Mehrachsigkeit, Eigenspannung, Schweißnahtausführung, Belastungshistorie und Temperatur auf. Die Bauteilbewertung muss beide Aspekte miteinander verknüpfen.

Eine Kombination aus Rissgröße und Spannung unterhalb von K = KIC kann innerhalb des anwendbaren bruchmechanischen Modells stabil bleiben. Limited evidence

Für einen überwiegend linear-elastischen Fall ist die Spannungsintensität im Bauteil anhand der tatsächlichen Rissform und des Geometriefaktors zu berechnen. Anschließend ist sie mit einem gültigen Zähigkeitswert bei der maßgebenden Temperatur und Orientierung zu vergleichen. Das FHWA-Handbuch für Stahlbrücken beschreibt die grundlegende Bedingung: Kombinationen aus Rissgröße und Spannung unterhalb von K = KIC können innerhalb des anwendbaren bruchmechanischen Modells stabil bleiben. Dieser Vergleich ist nicht ausreichend, wenn das plastische Fließen weit fortgeschritten ist. Verwenden Sie J, CTOD oder eine Widerstandskurve, wenn stabiles Weiterreißen und Risswachstum Bestandteil des Verhaltens sind. Die Darstellung des dynamischen Bruchs in Stahl durch NIST aus dem Jahr 2008 erläutert, warum elastisch-plastische Prüfungen erforderlich sind, wenn eine ungleichmäßige Plastizität an der Rissspitze und komplexe Spannungs-Dehnungs-Felder die instabile Rissausbreitung beeinflussen.

Dies folgt den Grundlagen, die durch das Energiekriterium von A. A. Griffith und das Spannungsfeld an der Rissspitze von G. R. Irwin etabliert wurden. Keine dieser Grundlagen behandelt die Zähigkeit als unabhängig von Geometrie und Belastung. Eine praktische Bewertung sollte daher die Grenzen der Risserkennung, die wahrscheinliche Fehlerform, das Prüfintervall, Rest- und Sekundärspannungen, den Zwangszustand sowie die Frage berücksichtigen, ob es um Rissinitiierung oder stabiles Risswachstum geht.

Bevor Sie eine behauptete Antwort auf die Frage „Wie groß ist die Zähigkeit dieses Stahls?“ akzeptieren, sollten Sie Folgendes klären:

1. Welche Norm und welcher Bruchparameter wurden verwendet: ASTM E399-24 KIC, ASTM E1820 J oder CTOD, ISO 12135:2021, ASTM E1290 CTOD oder ISO 15653:2018 für eine Schweißverbindung? 2. Wie lauten die Bezeichnung des Stahls, die Produktform, die Dicke, die Orientierung, der Probentyp und die Lage des Risses? 3. Wie sahen das Verfahren zur Erzeugung des Ermüdungsvorrisses, die Temperatur, die Belastungsgeschwindigkeit und das Versagensbild aus? 4. Ist der angegebene Wert gemäß der genannten Norm gültig oder handelt es sich um einen bedingten Wert? 5. Verwendet die Bauteilberechnung die tatsächliche Rissgeometrie, den Zwangszustand, den Belastungsmodus und die Betriebstemperatur? 6. Ist die maßgebende Fragestellung die Rissinitiierung, stabiles Weiterreißen, Sprödbruch oder zyklisches Risswachstum?

Ohne diese Definitionen und Betriebsbedingungen ist „die Zähigkeit des Stahls“ eine unvollständige Fragestellung.