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Technical Report NTB 85-51

Determination of crack growth parameters of alumina in 4-point bending tests

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Für die nukleare Entsorgung werden in einigen Ländern Endlagerbehälter aus Aluminiumoxid in Erwägung gezogen. Bei diesem keramischen Material ist unterkritische Rissausbreitung ein wichtiger potentieller Versagensmechanismus.

Es wurde ein heiss-isostatisch gepresstes Al2O3 hinsichtlich seines Risswachstumsverhaltens in einer stark korrosiven Salzlösung bei 70°C mit bruchmechanischen Methoden untersucht. Durch eine neuartige Auswertung von Lebensdauermessungen im statischen Biegeversuch konnten Risswachstumsgeschwindigkeiten bis zu 10-11 m/s gemessen werden.

Dabei zeigte sich, dass die Abhängigkeit der Risswachstumsgeschwindigkeit vom Spannungsintensitätsfaktor über den gesamten Messbereich durch ein Potenzgesetz beschrieben werden kann. Es wurde ein Risswachstumsexponent von n = 20 gefunden. Aus der Literatur sind für das gleiche Material – aufgrund von Messungen mit der Doppel-Torsionsmethode – Werte von n > 100 bekannt. Die Diskrepanz zwischen diesen Ergebnissen ist wahrscheinlich auf R-Kurven-Effekte (d. h. auf eine Zunahme des Bruchwiderstands mit fortschreitender Rissausbreitung) zurückzuführen, welche das Verhalten von Makrorissen und natürlichen Rissen in der Grössenordnung von ca. 100 μm unterschiedlich beeinflussen.

Bei den hohen anzustrebenden Lebensdauern von Endlagerbehältern führt der niedrige gemessene Wert des Risswachstumsexponenten zu relativ tiefen Werten für die zulässigen Zugspannungen.

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