Comparison of Technological and Scientific Methods for Fracture Toughness Determination of Silicon Nitride

Publikationen: Thesis / Studienabschlussarbeiten und HabilitationsschriftenMasterarbeit

Abstract

Lagerkugeln aus Siliziumnitridkeramik weisen eine hervorragende Oberflächenqualität auf und des Weiteren ist das Material sehr resistent gegenüber Korrosion und Abrieb. Diese Eigenschaften sind in Lageranwendungen von entscheidender Bedeutung, was Keramikkugeln zu einer ausgezeichneten Wahl für diese Anwendung macht. Die Lebensdauer solcher Kugeln ist begrenzt durch Oberflächenschädigung durch Kontaktbelastungen und damit einhergehender Rissbildung und -wachstum. Daher ist es wichtig, die Bruchzähigkeit dieser Materialien zu kennen. Eine einfache Methode zur Bestimmung dieser Eigenschaft ist die standardisierte indentation fracture (IF) Methode. Dabei wird auf einem flachen und polierten Querschnitt der Kugeln ein Vickers Härteeindruck platziert. Der Eindruck und die an seinen Ecken entstehenden Risse werden vermessen und aus diesen Größen die Eindruckrisszähigkeit errechnet. Die untersuchte Stelle befindet sich somit unter der Kugeloberfläche. Das Gefüge und die Eigenspannungen der Lagerkugeln können in radialer Richtung Variationen aufweisen. Daher spiegeln Messungen unter der Kugeloberfläche möglicherweise nicht die tatsächlichen Eigenschaften der Oberfläche, welche im Einsatz versagensrelevant sind, wider. Zusätzlich würde die Verwendung der Kugeloberfläche als Testoberfläche die Testdurchführung erheblich vereinfachen. Das Ziel dieser Arbeit war es die Eindruckrisszähigkeit auf kugelförmigen Oberflächen von Lagerkugeln mit Durchmessern von 5.55 mm bis 47.6 mm unter Verwendung verschiedener Lasten zu messen. Diese Ergebnisse spiegeln die lokalen Eigenschaften des Teils der Lagerkugel wider, der für die Anwendung relevant ist. Weiters wurde untersucht, inwiefern sich Eindrücke und Eindruckrisse auf kugeligen Oberflächen von solchen auf flachen Oberflächen unterscheiden um eine Umrechnung zwischen diesen Bedingungen zu etablieren. Dadurch konnten weitere Einblicke über lokale Eigenschaften der Kugeln gewonnen werden. Dafür wurden mehrere ¿Referenzzustände¿, die als Vergleich dienten, deklariert: eine 1 mm dicke Schicht direkt unter der Kugeloberfläche, die Mitte der Kugeln und eigens hergestellte Biegebalken aus demselben Material. Darüber hinaus wurde die Bruchzähigkeit mit mehreren standardisierten Methoden gemessen. Die Messungen der Eindruckrisszähigkeit deuten darauf hin, dass ausreichend große Eindrucklasten verwendet werden müssen, um aussagekräftige Ergebnisse zu erzielen. Ferner wurde eine empirische Korrekturmethode entwickelt um die Messungen auf den Kugeloberflächen in hypothetische Ergebnisse flacher Oberflächen umzuwandeln. Dadurch konnten Unterschiede zwischen den ¿Referenzzuständen¿ und der Kugeloberfläche erfasst werden sowie Unterschiede zwischen verschiedenen Kugelgrößen. Die Eindruckrisszähigkeit war in allen Fällen deutlich höher als die Bruchzähigkeit.

Details

Titel in ÜbersetzungVergleich von Technischen und Wissenschaftlichen Methoden zur Bruchzähigkeitsbestimmung von Siliziumnitrid
OriginalspracheEnglisch
QualifikationDipl.-Ing.
Gradverleihende Hochschule
Betreuer/-in / Berater/-in
Datum der Bewilligung20 Okt. 2023
StatusVeröffentlicht - 2023