Vergleich biaxialer Versuchsmethoden zur Festigkeitsmessung von Keramiken

Maximilian Staudacher

Vergleich biaxialer Versuchsmethoden zur Festigkeitsmessung von Keramiken

Translated title of the contribution: Comparison of biaxial strength test methods for ceramics

Maximilian Staudacher

Chair of Structural and Functional Ceramics (410)

Research output: Thesis › Master's Thesis

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Abstract

Strength determination is an essential tool to successfully develop and improve ceramic materials. In many cases, samples are available as thin discs or plates. In those cases, biaxial testing offers the opportunity to test these samples without any further preparation. Common biaxial testing methods include the Ball-on-Three-Balls-Test (B3B), the Piston-on-Three-Balls-Test (P3B) and the Ring-on-Ring-Test (RoR). For this thesis, such tests were conducted on alumina discs as well as square LTCC-plates and compared using Weibull-Theory. The influence of various inter-mediate layers (Teflon, rubber), which are recommended to reduce friction, was evaluated. To support these findings, Finite-Element-Analysis was conducted on alumina discs tested by the RoR-method to analyse the effects of possible deviations from ideal conditions. More specifically, the influence of friction between sample and fixture as well as the effects of an inhomogeneous load distribution on the maxi-mum stress were investigated. The experiments demonstrated that it is possible to measure corresponding strength values with all three testing methods. To properly asses the strength using the RoR-test, intermediate layers have to be used. Teflon-foils are better suited for low fracture forces, whereas rubber is recommended for high fracture forces due to Teflon-foils starting to rupture under high loads. If no intermediate layer is used, the materials strength will be underestimated. Finite-Element-calculations show that this effect cannot be explained by the influence of friction and is rather caused by an inhomogeneous load distribution along the load-ring circumference.

Translated title of the contribution	Comparison of biaxial strength test methods for ceramics
Original language	German
Qualification	Dipl.-Ing.
Awarding Institution	Montanuniversität
Supervisors/Advisors	Lube, Tanja, Supervisor (internal)
Publication status	Published - 2020

Bibliographical note

embargoed until null

Keywords

Biaxial Testing
Finite Element Analysis
Alumina
LTC-Ceramic

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Cite this

@mastersthesis{9a8a756ac108421a83f6c61b4c1bb7b7,

title = "Vergleich biaxialer Versuchsmethoden zur Festigkeitsmessung von Keramiken",

abstract = "F{\"u}r die Entwicklung und Verbesserung keramischer Werkstoffe ist die Ermittlung der Festigkeit essenziell. Oft liegt Material in Form von d{\"u}nnen Scheiben oder Platten vor. In diesen F{\"a}llen bietet es sich an, die Festigkeit direkt an diesen K{\"o}r-pern mithilfe von biaxialen Versuchen zu bestimmen. Zu diesen Versuchen z{\"a}hlen der Ball-on-Three-Balls-Versuch (B3B), der Piston-on-Three-Balls-Versuch (P3B) und der Ring-on-Ring-Versuch (RoR). In dieser Arbeit wurden solche Versuche an Scheiben aus Aluminiumoxid und quadratischen Platten aus einer LTC-Keramik durchgef{\"u}hrt und die Ergebnisse auf Basis der Weibulltheorie miteinander verglichen. Der Einfluss von verschiede-nen Zwischenschichten (Teflon, Gummi), die zur Reduktion der Reibung empfoh-len werden, wurde evaluiert. Unterst{\"u}tzend wurden Finite-Elemente-Berechnungen (FEM) in ANSYS{\textregistered} f{\"u}r den RoR-Versuch an scheibenf{\"o}rmigen Aluminiumoxid-Proben durchgef{\"u}hrt, um die Effekte von m{\"o}glichen Abweichungen von den Idealbedingungen zu analysieren. Es wurden der Einfluss der Reibung zwischen den Auflagern und der Probe und die Auswirkungen von Unregelm{\"a}{\ss}igkeiten in der Krafteinleitung auf die maximal auftretenden Spannungen untersucht. Die Experimente zeigten, dass mit allen drei Versuchstypen korrespondierende Festigkeitswerte gemessen werden k{\"o}nnen. Im RoR-Versuch m{\"u}ssen dazu jedenfalls auf der Zug– und Druckseite Zwischenschichten verwendet werden. Im Fall von niedrigen Bruchkr{\"a}ften ist Teflonfolie geeignet, bei hohen Bruchkr{\"a}ften wird Gummi empfohlen, da die Teflonfolie unter diesen Bedingungen rei{\ss}t. Ohne Verwendung von ausgleichenden Zwischenschichten wird die Festigkeit mit RoR-Versuchen untersch{\"a}tzt. Wie die FEM-Berechnungen zeigen konnten, kann dieser Effekt nicht durch eine {\"A}nderung der Reibungsbedingungen, sondern durch eine ungleichm{\"a}{\ss}ige Belastung {\"u}ber den Umfang des Lastringes erkl{\"a}rt werden.",

keywords = "Biaxiale Versuche, Finite Elemente Methode, Aluminiumoxid, LTC-Keramik, Biaxial Testing, Finite Element Analysis, Alumina, LTC-Ceramic",

author = "Maximilian Staudacher",

note = "gesperrt bis null",

year = "2020",

language = "Deutsch",

school = "Montanuniversit{\"a}t Leoben (000)",

}

TY - THES

T1 - Vergleich biaxialer Versuchsmethoden zur Festigkeitsmessung von Keramiken

AU - Staudacher, Maximilian

N1 - gesperrt bis null

PY - 2020

Y1 - 2020

N2 - Für die Entwicklung und Verbesserung keramischer Werkstoffe ist die Ermittlung der Festigkeit essenziell. Oft liegt Material in Form von dünnen Scheiben oder Platten vor. In diesen Fällen bietet es sich an, die Festigkeit direkt an diesen Kör-pern mithilfe von biaxialen Versuchen zu bestimmen. Zu diesen Versuchen zählen der Ball-on-Three-Balls-Versuch (B3B), der Piston-on-Three-Balls-Versuch (P3B) und der Ring-on-Ring-Versuch (RoR). In dieser Arbeit wurden solche Versuche an Scheiben aus Aluminiumoxid und quadratischen Platten aus einer LTC-Keramik durchgeführt und die Ergebnisse auf Basis der Weibulltheorie miteinander verglichen. Der Einfluss von verschiede-nen Zwischenschichten (Teflon, Gummi), die zur Reduktion der Reibung empfoh-len werden, wurde evaluiert. Unterstützend wurden Finite-Elemente-Berechnungen (FEM) in ANSYS® für den RoR-Versuch an scheibenförmigen Aluminiumoxid-Proben durchgeführt, um die Effekte von möglichen Abweichungen von den Idealbedingungen zu analysieren. Es wurden der Einfluss der Reibung zwischen den Auflagern und der Probe und die Auswirkungen von Unregelmäßigkeiten in der Krafteinleitung auf die maximal auftretenden Spannungen untersucht. Die Experimente zeigten, dass mit allen drei Versuchstypen korrespondierende Festigkeitswerte gemessen werden können. Im RoR-Versuch müssen dazu jedenfalls auf der Zug– und Druckseite Zwischenschichten verwendet werden. Im Fall von niedrigen Bruchkräften ist Teflonfolie geeignet, bei hohen Bruchkräften wird Gummi empfohlen, da die Teflonfolie unter diesen Bedingungen reißt. Ohne Verwendung von ausgleichenden Zwischenschichten wird die Festigkeit mit RoR-Versuchen unterschätzt. Wie die FEM-Berechnungen zeigen konnten, kann dieser Effekt nicht durch eine Änderung der Reibungsbedingungen, sondern durch eine ungleichmäßige Belastung über den Umfang des Lastringes erklärt werden.

AB - Für die Entwicklung und Verbesserung keramischer Werkstoffe ist die Ermittlung der Festigkeit essenziell. Oft liegt Material in Form von dünnen Scheiben oder Platten vor. In diesen Fällen bietet es sich an, die Festigkeit direkt an diesen Kör-pern mithilfe von biaxialen Versuchen zu bestimmen. Zu diesen Versuchen zählen der Ball-on-Three-Balls-Versuch (B3B), der Piston-on-Three-Balls-Versuch (P3B) und der Ring-on-Ring-Versuch (RoR). In dieser Arbeit wurden solche Versuche an Scheiben aus Aluminiumoxid und quadratischen Platten aus einer LTC-Keramik durchgeführt und die Ergebnisse auf Basis der Weibulltheorie miteinander verglichen. Der Einfluss von verschiede-nen Zwischenschichten (Teflon, Gummi), die zur Reduktion der Reibung empfoh-len werden, wurde evaluiert. Unterstützend wurden Finite-Elemente-Berechnungen (FEM) in ANSYS® für den RoR-Versuch an scheibenförmigen Aluminiumoxid-Proben durchgeführt, um die Effekte von möglichen Abweichungen von den Idealbedingungen zu analysieren. Es wurden der Einfluss der Reibung zwischen den Auflagern und der Probe und die Auswirkungen von Unregelmäßigkeiten in der Krafteinleitung auf die maximal auftretenden Spannungen untersucht. Die Experimente zeigten, dass mit allen drei Versuchstypen korrespondierende Festigkeitswerte gemessen werden können. Im RoR-Versuch müssen dazu jedenfalls auf der Zug– und Druckseite Zwischenschichten verwendet werden. Im Fall von niedrigen Bruchkräften ist Teflonfolie geeignet, bei hohen Bruchkräften wird Gummi empfohlen, da die Teflonfolie unter diesen Bedingungen reißt. Ohne Verwendung von ausgleichenden Zwischenschichten wird die Festigkeit mit RoR-Versuchen unterschätzt. Wie die FEM-Berechnungen zeigen konnten, kann dieser Effekt nicht durch eine Änderung der Reibungsbedingungen, sondern durch eine ungleichmäßige Belastung über den Umfang des Lastringes erklärt werden.

KW - Biaxiale Versuche

KW - Finite Elemente Methode

KW - Aluminiumoxid

KW - LTC-Keramik

KW - Biaxial Testing

KW - Finite Element Analysis

KW - Alumina

KW - LTC-Ceramic

M3 - Masterarbeit

ER -