CTOD-Test: Risswiderstandsfähigkeit von Stahl im Härtetest

Der CTOD-Test ist ein wichtiger Prüfstandard für Stahl. Er simuliert die Entstehung von Rissen und hilft dabei, die Risszähigkeit des Materials zu bestimmen. Lesen Sie hier, wie der Test funktioniert und welche Vorteile er bietet.

CTOD – Crack Tip Open Displacement Test

Der Crack tip opening displacement Test (CTOD-Test), auch bekannt als Rissspitzenaufweitungsprüfung, ist eine mechanische Werkstoffprüfung aus dem Bereich der Bruchmechanik. Ähnlich wie der Zug- und Kerbschlagbiegeversuch dient er dazu, die Eigenschaften eines Werkstoffs unter Belastung zu charakterisieren. Der CTOD-Test zielt darauf ab, den Widerstand eines Werkstoffs gegen Risswachstum zu bestimmen, indem er die Rissspitzenöffnungsverformung misst. Dieser Test liefert wichtige Informationen über die Zähigkeit und Bruchfestigkeit des Materials.

Welche CTOD-Normen gibt es?

• BS 7448: (Part 1-4): Bruchmechanische Zähigkeitsprüfungen
• ISO 12135: Metallische Werkstoffe – Einheitliche Prüfmethode zur Bestimmung der quasistatischen Bruchzähigkeit
• ASTM E 1820: Standardprüfverfahren zur Messung der Bruchzähigkeit
• WES 1108: Standardprüfverfahren für die Messung der Bruchzähigkeit (CTOD)
• BS7910: Leitfaden zu Methoden zur Beurteilung der Akzeptanz von Fehlern in metallischen Strukturen
• ISO 15653: Metallische Werkstoffe – Prüfverfahren zur Bestimmung der quasistatischen Bruchzähigkeit von Schweißnähten

Eine CTOD-Probe hat Ähnlichkeiten mit einer Kerbschlagbiegeprobe. Die Probe hat aber im Allgemeinen die volle Dicke des Materials, wobei die Breite zweimal der Dicke entspricht. Am runden Kerbgrund wird mittels Vorspannung ein definierter Ermüdungsriss eingebracht. Anschließend wird die Probe auf Testtemperatur gekühlt und dann in eine Drei-Punktbiegemaschine gespannt und belastet. Der Zusammenhang zwischen der Rissspitzenaufweitung und der Belastung wird aufgezeichnet. Danach wird die CTOD-Probe gebrochen und Rissoberfläche und Bruchbild untersucht.

Unterschiedliche Ergebnisse beim CTOD-Test

Die Ergebnisse des Crack tip opening displacement Tests sind vielfältig. Zunächst wird ein Diagramm der Last-Rissöffnungsverschiebung erstellt und die Kurvenform analysiert. Darüber hinaus wird das Bruchbild makroskopisch untersucht, um festzustellen, ob der Ermüdungsriss eine gerade Front hat und wie lang er ist. Übliche Sollwerte sind beim CTOD Wert min 0,25 mm und bei Schweißnähten (meist im spannungsarmgeglühten Zustand) Crack tip opening displacement Wert min 0,2 mm.

Der CTOD ist kein Standard bei den mechanischen Werkstoffprüfungen der Baustähle und Druckbehälterstähle. Bei den Offshore-Stählen wie S355G10+N/M (1.8813+N/M), S460G2+M/QT (1.8857+M/QT) oder auch S355NLO (1.8808+N), S355MLO (1.8808+M) aber auch S460MLO (1.8878) S460QLO (1.8667) findet er häufig als zusätzliche Bestellmöglichkeit der EN 10225 (Schweißgeeignete Baustähle für feststehende Offshore-Konstruktionen) oder NORSOK M-120 Material data sheets for structural steel Anwendung.

Auch bei den hochfesten Schiffbaustählen hat der CTOD in den letzten Jahren an Bedeutung gewonnen. Inzwischen gibt es Stahlsorten die als BCA (brittle crack arrestability) Stähle den Crack tip opening displacement Test am Basismaterial und an den Schweißnähten verlangen und diese mechanische Werkstoffprüfung ein Teil des Zulassungsprogrammes der Hersteller darstellt.

Welches sind die Anwendungsgebiete für CTOD-Stähle?

Anwendungsmöglichkeiten sind off-shore Konstruktionen wie Bohrinseln, Förderplattformen, Onshore- und Offshore-Windparks, Schiffe und Baugruppen für Tiefseerohrleitungssysteme.

Quellen:
Wikipedia Englisch
ASTM.org
EN 10225 Weldable structural steels for fixed offshore structures
NORSOK M-120
The Crack Tip Opening Displacement (wmtr.com)
Crack Tip Opening Displacement -Tests – TWI (twi-global.com)
Crack Tip Opening Displacement Test – JFE Techno-Research Corporation (jfe-tec.co.jp)
Crack tip opening displacement (CTOD) testing – www.materialwelding.com
M-120 Material data sheets for structural steel