Dehnratenabhängigkeit mechanischer Werkstoffkennwerte von Kalk-Natronsilicatglas

In der vorliegenden Arbeit wird die Abhängigkeit der Werkstoffkennwerte Elastizitätsmodul und Zugfestigkeit von der während der Beanspruchung von Bauteilen aus Kalk-Natronsilicatglas auftretenden Dehnrate untersucht. Hierzu wird ein Versuchsaufbau zur Durchführung von einaxialen Zugversuchen an Probekörpern in einer Hochgeschwindigkeits-Prüfmaschine konzipiert. Mit zeitlich hochauflösender Messtechnik werden Kraft- und Dehnungsverlauf während der Versuche aufgezeichnet. Mit dem Versuchsaufbau werden umfangreiche Versuchsreihen an Glasprobekörpern aus gewöhnlichem Floatglas und thermisch vorgespanntem Floatglas (ESG) mit unterschiedlichen Prüfgeschwindigkeiten und daraus in der Probe resultierenden Dehnraten durchgeführt. Der Dehnratenbereich erstreckt sich dabei von quasistatischen Beanspruchungen bis zu Beanspruchungen im Bereich von Impaktversuchen. Die obere Dehnratengrenze ergibt sich hierbei durch den Versuchsaufbau, der bei schnelleren Prüfungen keine zuverlässig auswertbaren Messschriebe mehr liefert. Aus den aufgezeichneten Kraft- und Dehnungsverläufen werden zunächst für jeden Probekörper die mechanischen Werkstoffkennwerte bestimmt, in einer statistischen Auswertung werden dann die jeweiligen Erwartungswerte und Standardabweichungen für jede untersuchte Dehnrate ermittelt. Sowohl für die Zugfestigkeit als auch für den Elastizitätsmodul des untersuchten Kalk-Natronsilicatglases kann ein eindeutiger Trend zur Zunahme mit ansteigender Dehnrate festgestellt werden. Auf Grundlage dieser Erkenntnisse werden unter Verwendung rheologischer und induktiver Ansätze Werkstoffmodelle entwickelt, die in der Lage sind, das dehnratenabhängige Spannungs-Dehnungs-Verhalten des untersuchten Glases zu beschreiben. Die freien Parameter der Werkstoffmodelle werden hierzu in einem numerischen Optimierungsprozess bestimmt. Die Eignung der verschiedenen Modellansätze zur Beschreibung des realen Werkstoffverhaltens wird vergleichend bewertet. Abschließend wird ein dehnratenabhängiges Werkstoffmodell in ein kommerzielles FEM-Programm implementiert, um die Hochgeschwindigkeitszugversuche und das hierbei beobachtete dehnratenabhängige Werkstoffverhalten des untersuchten Kalk-Natronsilicatglases in der numerischen Simulation abbilden zu können.