Statische Ermüdungsgrenze von Kalk-Natronsilicatglas

Abstract

Bekanntlich kann eine anhaltende Beanspruchung von Glasbehältern mit einer Zugbelastung im unterkritischen Bereich zum langsamen Fortschreiten bestehender Mikrorisse in der Glasoberfläche führen. Dieses langsame Rißwachstum tritt insbesondere dann ein, wenn die Glasoberfläche dem Wasser (flüssig oder in der Dampfphase) ausgesetzt ist. Diesen Prozeß bezeichnet man allgemein als statische Ermüdung. Hat der Riß ein bestimmtes, kritisches Ausmaß erreicht, dann kommt es zum Glasbruch durch instabile Rißausbreitung. Frühere Arbeiten haben gezeigt, daß die kritische Rißgröße, die zum Versagen führt, von der Höhe der angewendeten Spannung abhängt. Die hier besprochene Untersuchung zeigt, daß es bei gegebener Größe eines vorhandenen Mikrorisses ein kleinstes Spannungsniveau gibt, unter dem das erwähnte langsame Rißwachstum nicht stattfindet. Es hat sich gezeigt, daß diese Schwellenspannung oder Grenze der statischen Ermüdung ein konstanter Bruchteil (0,27) der Festigkeit des bestehenden Risses in neutraler Umgebung ist. Dieses Kriterium entspricht einem Spannungsintensitätsfaktor K₀ von 27 % der Bruchzähigkeit Klc des Glases. Wahlweise läßt sich der Grenzwert für den Eintritt einer statischen Ermüdung auch durch die Zeit bis zum Bruch ausdrücken, wenn die angewendete Spannung dem Niveau der Schwellenspannung entspricht. Nach der hier gegebenen Definition liegt an diesem Punkt eine Dauerbeständigkeit gegen die statische Ermüdung vor. Diese Dauerbeständigkeit, ausgedrückt als die längstmögliche Zeit bis zum Bruch, ist, wie man herausfand, proportional zur Anfangstiefe des vorhandenen Risses in einem gegebenen Medium. Beispiele für die Anwendung dieser beiden äquivalenten Konzepte einer Grenze der statischen Ermüdung beim Einsatz von Glas als technischer Werkstoff werden angeführt. Limits of static fatigue of soda-lime silica glass It is well known that a continuously maintained stress in the subcritical range leads to slow growth of the flaws existing in the surface of the glass. This slow crack growth occurs especially in the presence of water as either liquid or vapour. This process is generally described as static fatigue. Once the flaw reaches a particular critical size the glass fractures as a result of unstable crack growth. Earlier workers have shown that the critical flaw size which causes failure depends on the magnitude of the applied stress. The investigation described here shows that there is, for a given magnitude of existing flaw, a minimum stress level below which no slow flaw growth occurs. It has been found that this threshold stress or limit of static fatigue is a constant fraction (0,27) of the strength for the existing flaw in neutral conditions. This criterion corresponds to a stress intensity factor K₀ of 27 % of the glass fracture toughness Klc. The threshold for static fatigue also depends on the time to fracture if the applied stress level corresponds to this limiting value. According to the given definition there is an induction period for static fatigue in these conditions. This time may be defined as the longest time before fracture occurs and has been found to be proportional to the original depth of the flaw in given conditions. Examples of the use of both these equivalent concepts of a limit to static fatigue in the practical use of glasses are given. La limite de fatigue statique du verre silicosodocalcique Un effort de traction permanent exercé sur des récipients en verre dans le domaine subcritique peut, comme on le sait, entraîner une lente propagation des microfissures existantes à la surface du verre. Cette lente croissance des fissures a lieu en particuher là où la surface du verre est en contact avec l'eau (sous forme liquide ou de vapeur). On appelle en général ce processus fatigue statique. Si la fissure atteint une certaine dimension critique, il s'en suit une fracture du verre par propagation instable de la fissure. Des travaux antérieurs ont montré que l'importance de la fissure critique qui entraîne la fracture, dépend de l'importance de l'effort exercé. On montre dans cette étude qu'il y a une limite inférieure de contrainte pour une valeur donnée de la microfissure, en dessous de laquelle la croissance lente de la fissure n'a pas lieu. On montre que cette tension de seuil ou limite de fatigue statique est une fraction constante (0,27) de la résistance mécanique de la fissure présente dans un milieu neutre. Ce critère correspond à un facteur d'intensité de contrainte K₀ dont la valeur est égale à 27 % de la ténacité à la rupture Klc du verre. La valeur limite d'apparition d'une fatigue statique peut être exprimée, si l'on veut, par la durée qui la sépare de la fracture lorsque l'effort exercé est égal au niveau de la tension de seuil. D'après la définition donnée, ce point correspond à la valeur de la résistance à la fatigue statique. Cette résistance exprimée comme le temps le plus long possible qui s'écoule jusqu'à la fracture est, comme on l'a vu, proportionnel à la profondeur initiale de la fissure dans un milieu donné. On se sert du matériau verre pour illustrer l'application de ces deux définitions équivalentes d'une limite de fatigue statique.