This thesis work describes a new experimental method for the determination of Mode II (shear) fracture toughness, KIIC of rock and compares the outcome to results from Mode I (tensile) fracture toughness, KIC, testing using the International Society of Rock Mechanics Chevron-Bend method.<br><br>Critical Mode I fracture growth at ambient conditions was studied by carrying out a series of experiments on a sandstone at different loading rates. The mechanical and microstructural data show that time- and loading rate dependent crack growth occurs in the test material at constant energy requirement.<br><br>The newly developed set-up for determination of the Mode II fracture toughness is called the Punch-Through Shear test. Notches were drilled to the end surfaces of core samples. An axial load punches down the central cylinder introducing a shear load in the remaining rock bridge. To the mantle of the cores a confining pressure may be applied. The application of confining pressure favours the growth of Mode II fractures as large pressures suppress the growth of tensile cracks.<br><br>Variation of geometrical parameters leads to an optimisation of the PTS- geometry. Increase of normal load on the shear zone increases KIIC bi-linear. High slope is observed at low confining pressures; at pressures above 30 MPa low slope increase is evident. The maximum confining pressure applied is 70 MPa. The evolution of fracturing and its change with confining pressure is described.<br><br>The existence of Mode II fracture in rock is a matter of debate in the literature. Comparison of the results from Mode I and Mode II testing, mainly regarding the resulting fracture pattern, and correlation analysis of KIC and KIIC to physico-mechanical parameters emphasised the differences between the response of rock to Mode I and Mode II loading. On the microscale, neither the fractures resulting from Mode I the Mode II loading are pure mode fractures. On macroscopic scale, Mode I and Mode II do exist. / Diese Arbeit beschreibt eine neue experimentelle Methode zur Bestimmung der Modus II (Schub) Bruchzähigkeit, KIIC, von Gestein und vergleicht die Ergebnisse mit Resultaten aus Versuchen zur Bestimmung der Modus I (Zug) Bruchzähigkeit, KIC.<br><br>An einer Serie von Versuchen mit verschiedenen Belastungsraten wurde das kritische Modus I Rißwachstum eines Sandsteines untersucht. Die mechanischen Daten zeigen, daß zeit- und belastungsratenabhängiges Rißwachstum in dem Material bei konstantem Energieverbrauch stattfindet. <br><br>Der neu entwickelte Versuchsaufbau zur Ermittlung der Modus II Bruchzähigkeit wurde Punch- Through Shear Test genannt. Die Proben werden aus Bohrkernen hergestellt in deren Endflächen Nuten eingebracht werden. Eine Last auf den Innenzylinder induziert eine Schubspannung. Auf die Mantelfläche der Proben kann ein Umlagerungsdruck aufgebracht werden. Da durch Normalspannungen das Modus I Rißwachstum unterdrückt wird, wird das Modus II Rißwachstum gefördert.<br><br>Die PTS- Probengeometrie wurde bezüglich Nutentiefe, -durchmessers, -breite und des Probendurchmessers optimiert. KIIC steigt bi-linear mit Zunahme des Umlagerungsdruckes an. Ein starker Anstieg ist bis zu Umlagerungsdrücken von etwa 30 MPa zu beobachten, oberhalb ist die Steigung geringer. Bisher wurden Umlagerungsdrücke bis maximal 70 MPa aufgebracht. Die Entwicklung der entstehenden Risse und deren Variation mit Umlagerungsdruck wird beschrieben.<br><br>Ob die Entstehung eines Modus II Risses in Gestein möglich ist, wurde vielfach in der Literatur diskutiert. Der Vergleich der Ergebnisse der Modus I und II Experimente, insbesondere bezüglich der Rißmuster und der Korrelationsanalysen von KIC und KIIC zu physiko-mechanischen Parametern, zeigt die Unterschiede der Reaktion auf Modus I und Modus II Belastung auf. Mikroskopisch gesehen wachsen die Risse weder unter Modus I noch unter Modus II Belastung in einem reinen Modus. Allerdings existieren Modus I und Modus II Risse auf der makroskopischen Betrachtungsebene.

In der vorliegenden Arbeit wurden bruch- und schädigungsmechanische Eigenschaften keramischer Filterwerkstoffe, welche im Rahmen des SFB 920 entwickelt und erforscht werden, bestimmt. Es wurden zwei verschiedene Werkstoffsysteme - Aluminiumoxid und kohlenstoffgebundenes Alumniumoxid - mit entwickelten Miniaturprüfmethoden bei Prüftemperaturen bis 1500°C untersucht. Mit Hilfe des Ball-On-Three-Balls-Tests (B3B) wurde die biaxiale Festigkeit in Abhängigkeit der Prüftemperatur bestimmt. Für die kohlenstoffgebundenen Proben wurde weiterhin der Einfluss der Verkokungstemperatur als auch des Kohlenstoffgehalts auf die Festigkeit untersucht. Es konnte ein Festigkeitsmaximum ermittelt werden, wenn die Prüftemperatur der Verkokungstemperatur entspricht. Die schädigungsmechanischen Materialparameter des duktilen Verformungs- und Versagensverhalten beider Werkstoffe bei 1500°C wurden mit Hilfe von numerischen Simulationen des B3B identifiziert. Die Bestimmung der bruchmechanischen Kennwerte erfolgte mit einem Vier-Punkt-Biegeversuchsaufbaus mit Chevron-gekerbten Proben (CNB-Versuch). Numerische Untersuchungen dienten zur Bestätigung der Versuchsergebnisse und Bestimmung der Form der Rissfront sowie Risswachstum während des Versuches. / In the present work, fracture and damage mechanical properties of ceramic filter materials, which are developed and investigated within the framework of the CRC 920, are determined. Two different material systems - alumina and carbon-bonded alumina - are investigated using miniaturized test methods at temperatures up to 1500°C. The biaxial strength at different temperatures is determined using the Ball-On-Three-Balls-Test (B3B). The strength of carbon-bonded specimens is dependent on the coking temperature and the carbon content. A maximum strength can be obtained if the testing temperature equals the coking temperature. The damage-mechanical material parameters in order to describe the ductile deformation and failure behaviour of both materials at 1500°C are identified with the help of numerical simulations. The determination of fracture-mechanical properties are carried out with a four-point bending test setup with chevron-notched specimens (CNB). Numerical investigations are used to validate the test results and to simulate the shape of the crack front and crack growth during the experiment.

Das geometrische In-plane-Moireverfahren wird benutzt, um das Deformationsfeld um einen Riss in einem geschweißten Verbund zweier unterschiedlicher Metalle sowie in homogenen Proben dieser Materialien zu untersuchen. Konkret werden Vierpunktbiegeproben benutzt, wobei die Grenzflächen der Verbundproben durch Explosionsschweißen (Sprengplattieren) hergestellt werden. In Verbindung mit der digitalen Bildverarbeitung wird das Feld der Verschiebungen zum Zeitpunkt der Rissinitiierung als primäres Resultat aus den Isothetenfeldern ermittelt. Aus diesen Verschiebungsfeldern lassen sich mittels eines Approximationsverfahrens weitere Größen wie Verzerrungen und Spannungsgrößen an der Oberfläche ableiten. Zusätzlich werden dreidimensionale elastisch-plastische FEM-Berechnungen für die homogenen Proben und die Proben mit Grenzflächenriss durchgeführt. Das J-Integral wird aufgrund der experimentell und numerisch gewonnenen Daten für den Rissinitiierungszeitpunkt berechnet. Außerdem findet ein Vergleich mit J-Integralwerten statt, die mit Methoden der Materialprüfnormen bestimmt werden.

Bei der Beurteilung der Sicherheit bestehender Konstruktionen aus altem Baustahl (i. A. Flussstahl) und der Entscheidung über notwendige Instandsetzungs- und Verstärkungsmaßnahmen ist der Nachweis ausreichender Werkstoffzähigkeit (der Sicherheit gegen ein sprödes Versagen) von wesentlicher Bedeutung. Die in DIN EN 1993-1-10 normativ geregelten Nachweismethoden zur Beurteilung der Sprödbruchgefährdung wurden basierend auf umfangreichen bruchmechanischen Untersuchungen entwickelt. Sie gelten für Schweißkonstruktionen und „Stähle aus neuerer Zeit“ mit in der Regel hohen Zähigkeitswerten. Die Quantifizierung der Zähigkeit in Werkstoffnormen erfolgt durch Kerbschlagbiegeversuche. Die Beziehung zwischen der Übergangstemperatur der Kerbschlagarbeit und der Referenztemperatur der Bruchzähigkeit wird durch die modifizierte Sanz-Korrelation hergestellt, die nur für diese Stähle abgeleitet wurde. Das in der Norm verankerte Verfahren ist für alte Flussstahlkonstruktionen mit Lochschwächung durch Niet- und Schraubenverbindungen nicht geeignet. Einerseits unterscheiden sich Kerbwirkung und Eigenspannungszustand von geschweißten und genieteten Konstruktionen und damit die Zähigkeitsanforderungen wesentlich voneinander. Auf der anderen Seite unterliegen die Zähigkeitseigenschaften von Flussstählen deutlich größeren Streuungen. In der vorliegenden Arbeit werden experimentelle und rechnerische Untersuchungen zum Sprödbruchverhalten gelochter Konstruktionen aus altem Flussstahl vorgestellt. Wesentlicher Bestandteil sind dabei die umfangreichen Werkstoffanalysen zur Ermittlung der bruchmechanischen Werkstoffzähigkeit im spröd-duktilen Übergangsbereich nach dem Master-Curve-Konzept (ASTM E1921). Die Auswertungen belegen, dass in Abhängigkeit des Herstellungsverfahrens unterschiedliche Werkstoffgüten definiert werden können. Um den Einfluss des Stanzens von Löchern auf das Sprödbruchverhalten alter Flussstähle zu beurteilen, werden Gefügeuntersuchungen und Mikrohärtemessungen durchgeführt. Ausgehend von einer umfassenden Analyse typischer Konstruktionsformen bestehender Tragwerke des Stahlhochbaus erfolgen bruchmechanische FE-Berechnungen an Anschlüssen von Winkelprofilen zur Bestimmung der Zähigkeitsanforderungen. Die dabei gewonnenen Ergebnisse des Spannungsintensitätsfaktors werden durch Modifikation bekannter Lösungen aus der Fachliteratur für die weitere Anwendung aufbereitet. Darauf aufbauend wird für die untersuchten Konstruktionsdetails im Rahmen einer bruchmechanischen Sicherheitsanalyse ein praxisgerechtes Verfahren zur Beurteilung der Sprödbruchgefährdung genieteter und geschraubter Bauteile abgeleitet. Mit Hilfe statistischer Methoden werden Streuungen der Festigkeits- und Zähigkeitskennwerte der Flussstähle erfasst und nach der Verifizierung durch Bauteilversuche in ein semi-probabilistisches Nachweiskonzept überführt.

Das geometrische In-plane-Moireverfahren wird benutzt, um das Deformationsfeld um einen Riss in einem geschweißten Verbund zweier unterschiedlicher Metalle sowie in homogenen Proben dieser Materialien zu untersuchen. Konkret werden Vierpunktbiegeproben benutzt, wobei die Grenzflächen der Verbundproben durch Explosionsschweißen (Sprengplattieren) hergestellt werden. In Verbindung mit der digitalen Bildverarbeitung wird das Feld der Verschiebungen zum Zeitpunkt der Rissinitiierung als primäres Resultat aus den Isothetenfeldern ermittelt. Aus diesen Verschiebungsfeldern lassen sich mittels eines Approximationsverfahrens weitere Größen wie Verzerrungen und Spannungsgrößen an der Oberfläche ableiten. Zusätzlich werden dreidimensionale elastisch-plastische FEM-Berechnungen für die homogenen Proben und die Proben mit Grenzflächenriss durchgeführt. Das J-Integral wird aufgrund der experimentell und numerisch gewonnenen Daten für den Rissinitiierungszeitpunkt berechnet. Außerdem findet ein Vergleich mit J-Integralwerten statt, die mit Methoden der Materialprüfnormen bestimmt werden.

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Die vorliegende Arbeit umfasst die Entwicklung und Implementierung eines nichtlokalen duktilen Schädigungsmodells, die Anwendung von Verfahren zur Bestimmung von Materialparametern aus Versuchsdaten sowie die Berechnung von bruchmechanischen Kennwerten im spröd-duktilen Übergangsbereich durch die numerische Simulation von Bruchmechanikversuchen unter Verwendung der ermittelten Parameter. Das entwickelte nichtlokale duktile Schädigungsmodell basiert auf dem Modell nach Gurson-Tvergaard-Needleman (GTN). Durch die Einführung eines zusätzlichen Längenparameters mittels einer impliziten Gradientenformulierung wird die Netzabhängigkeit des GTN-Modells eliminiert. Zur Lösung des nunmehr gekoppelten Feldproblems wird das nichtlokale Schädigungsmodell in Form eines benutzerdefinierten Elements in ein Finite-Elemente-Programm implementiert. Zur Parameterbestimmung werden Kraft-Verschiebungs-Kurven des Small-Punch-Tests (SPT), einem Kleinstprobenversuch, ausgewertet. Aufgrund des sehr geringen Materialbedarfs für die Herstellung der benötigten SPT-Proben werden Rest- bzw. Bruchstücke von Charpy-Tests weiterverwendet. Es werden zwei ferritische Reaktorstähle im bestrahlten und unbestrahlten Zustand untersucht. Die Versuchsreihen decken den vollständigen Bereich der Zähigkeit beider Stähle ab. Die Bestimmung von Bruchzähigkeiten erfolgt nach dem Konzept des Local Approach allein durch numerische Berechnung des Spannungs- und Verformungszustandes in Bruchmechanikproben. Hierbei werden die zuvor aus dem SPT bestimmten Fließkurven und Schädigungsparameter verwendet. Die berechneten Bruchzähigkeiten werden mit experimentellen Ergebnissen verglichen. / This work comprises the development and implementation of a non-local ductile damage model, the application of methods for the identification of material parameters from experimental data as well as the calculation of fracture mechanics parameters in the brittle-ductile transition zone through numerical simulations of fracture mechanical tests using the identified parameters. The developed non-local ductile damage model is based on the Gurson-Tvergaard-Needleman model (GTN). The pathological mesh sensitivity of the GTN model is eliminated by introducing an additional length parameter by means of an implicit gradient formulation. To solve the coupled field problem, the non-local damage model is implemented in a finite element program in the form of a userdefined element. Force-displacement-curves of the small punch test (SPT), a miniaturised test, are evaluated for the determination of material parameters. Given the modest material requirements for the preparation of the required samples remnants of Charpy-specimens are reused. Two ferritic reactor steels, both irradiated and unirradiated, are examined. The experiments cover the full brittle-ductile transition region of the steels. Following the concept of the Local Approach, fracture toughness values are determined by numerical calculation of the stress and deformation state in fracture mechanics specimen only. Here, the yield curves and damage parameters previously determined from the SPT are used. The calculated fracture toughness values are compared with experimental results.

Bei der Beurteilung der Sicherheit bestehender Konstruktionen aus altem Baustahl (i. A. Flussstahl) und der Entscheidung über notwendige Instandsetzungs- und Verstärkungsmaßnahmen ist der Nachweis ausreichender Werkstoffzähigkeit (der Sicherheit gegen ein sprödes Versagen) von wesentlicher Bedeutung. Die in DIN EN 1993-1-10 normativ geregelten Nachweismethoden zur Beurteilung der Sprödbruchgefährdung wurden basierend auf umfangreichen bruchmechanischen Untersuchungen entwickelt. Sie gelten für Schweißkonstruktionen und „Stähle aus neuerer Zeit“ mit in der Regel hohen Zähigkeitswerten. Die Quantifizierung der Zähigkeit in Werkstoffnormen erfolgt durch Kerbschlagbiegeversuche. Die Beziehung zwischen der Übergangstemperatur der Kerbschlagarbeit und der Referenztemperatur der Bruchzähigkeit wird durch die modifizierte Sanz-Korrelation hergestellt, die nur für diese Stähle abgeleitet wurde. Das in der Norm verankerte Verfahren ist für alte Flussstahlkonstruktionen mit Lochschwächung durch Niet- und Schraubenverbindungen nicht geeignet. Einerseits unterscheiden sich Kerbwirkung und Eigenspannungszustand von geschweißten und genieteten Konstruktionen und damit die Zähigkeitsanforderungen wesentlich voneinander. Auf der anderen Seite unterliegen die Zähigkeitseigenschaften von Flussstählen deutlich größeren Streuungen. In der vorliegenden Arbeit werden experimentelle und rechnerische Untersuchungen zum Sprödbruchverhalten gelochter Konstruktionen aus altem Flussstahl vorgestellt. Wesentlicher Bestandteil sind dabei die umfangreichen Werkstoffanalysen zur Ermittlung der bruchmechanischen Werkstoffzähigkeit im spröd-duktilen Übergangsbereich nach dem Master-Curve-Konzept (ASTM E1921). Die Auswertungen belegen, dass in Abhängigkeit des Herstellungsverfahrens unterschiedliche Werkstoffgüten definiert werden können. Um den Einfluss des Stanzens von Löchern auf das Sprödbruchverhalten alter Flussstähle zu beurteilen, werden Gefügeuntersuchungen und Mikrohärtemessungen durchgeführt. Ausgehend von einer umfassenden Analyse typischer Konstruktionsformen bestehender Tragwerke des Stahlhochbaus erfolgen bruchmechanische FE-Berechnungen an Anschlüssen von Winkelprofilen zur Bestimmung der Zähigkeitsanforderungen. Die dabei gewonnenen Ergebnisse des Spannungsintensitätsfaktors werden durch Modifikation bekannter Lösungen aus der Fachliteratur für die weitere Anwendung aufbereitet. Darauf aufbauend wird für die untersuchten Konstruktionsdetails im Rahmen einer bruchmechanischen Sicherheitsanalyse ein praxisgerechtes Verfahren zur Beurteilung der Sprödbruchgefährdung genieteter und geschraubter Bauteile abgeleitet. Mit Hilfe statistischer Methoden werden Streuungen der Festigkeits- und Zähigkeitskennwerte der Flussstähle erfasst und nach der Verifizierung durch Bauteilversuche in ein semi-probabilistisches Nachweiskonzept überführt.

Die vorliegende Arbeit umfasst die Entwicklung und Implementierung eines nichtlokalen duktilen Schädigungsmodells, die Anwendung von Verfahren zur Bestimmung von Materialparametern aus Versuchsdaten sowie die Berechnung von bruchmechanischen Kennwerten im spröd-duktilen Übergangsbereich durch die numerische Simulation von Bruchmechanikversuchen unter Verwendung der ermittelten Parameter. Das entwickelte nichtlokale duktile Schädigungsmodell basiert auf dem Modell nach Gurson-Tvergaard-Needleman (GTN). Durch die Einführung eines zusätzlichen Längenparameters mittels einer impliziten Gradientenformulierung wird die Netzabhängigkeit des GTN-Modells eliminiert. Zur Lösung des nunmehr gekoppelten Feldproblems wird das nichtlokale Schädigungsmodell in Form eines benutzerdefinierten Elements in ein Finite-Elemente-Programm implementiert. Zur Parameterbestimmung werden Kraft-Verschiebungs-Kurven des Small-Punch-Tests (SPT), einem Kleinstprobenversuch, ausgewertet. Aufgrund des sehr geringen Materialbedarfs für die Herstellung der benötigten SPT-Proben werden Rest- bzw. Bruchstücke von Charpy-Tests weiterverwendet. Es werden zwei ferritische Reaktorstähle im bestrahlten und unbestrahlten Zustand untersucht. Die Versuchsreihen decken den vollständigen Bereich der Zähigkeit beider Stähle ab. Die Bestimmung von Bruchzähigkeiten erfolgt nach dem Konzept des Local Approach allein durch numerische Berechnung des Spannungs- und Verformungszustandes in Bruchmechanikproben. Hierbei werden die zuvor aus dem SPT bestimmten Fließkurven und Schädigungsparameter verwendet. Die berechneten Bruchzähigkeiten werden mit experimentellen Ergebnissen verglichen. / This work comprises the development and implementation of a non-local ductile damage model, the application of methods for the identification of material parameters from experimental data as well as the calculation of fracture mechanics parameters in the brittle-ductile transition zone through numerical simulations of fracture mechanical tests using the identified parameters. The developed non-local ductile damage model is based on the Gurson-Tvergaard-Needleman model (GTN). The pathological mesh sensitivity of the GTN model is eliminated by introducing an additional length parameter by means of an implicit gradient formulation. To solve the coupled field problem, the non-local damage model is implemented in a finite element program in the form of a userdefined element. Force-displacement-curves of the small punch test (SPT), a miniaturised test, are evaluated for the determination of material parameters. Given the modest material requirements for the preparation of the required samples remnants of Charpy-specimens are reused. Two ferritic reactor steels, both irradiated and unirradiated, are examined. The experiments cover the full brittle-ductile transition region of the steels. Following the concept of the Local Approach, fracture toughness values are determined by numerical calculation of the stress and deformation state in fracture mechanics specimen only. Here, the yield curves and damage parameters previously determined from the SPT are used. The calculated fracture toughness values are compared with experimental results.

Die Wirkung nichtmetallischer Einschlüsse auf das temperatur- und beanspruchungsratenabhängige Festigkeits-, Verformungs- und Zähigkeitsverhalten des Stahls G42CrMo4 wird erforscht. Die im Rahmen des SFB 920 entwickelten Filter mit funktionalisierter Oberfläche dienten der Reinigung einer vorher bewusst verunreinigten Stahlschmelze. Diese Stähle werden mit kommerziell verfügbaren Stählen verglichen. Das Festigkeits- und Verformungsverhalten wird durch bekannte Modelle beschrieben, um das Zähigkeitsverhalten zu analysieren. Die Messung der bei schlagartiger Beanspruchung und tiefer Temperatur geringeren Zähigkeit erfolgt durch methodisch weiter- und neuentwickelte Versuchsaufbauten. Die geringere Zähigkeit der Stähle, die im Rahmen des SFB 920 hergestellt wurden, wird auf den höheren Einschlussanteil zurückgeführt. Das Zähigkeitsverhalten wird durch ein neues Modell beschrieben, das die fraktographisch ermittelte Einschlussverteilung einbezieht.