Danksagung
Zusammenfassung ................................................ ii
Symbolverzeichnis .............................................. vi
1 EINLEITUNG UND PROBLEMSTELLUNG ............................... 1
2 THEORETISCHE GRUNDLAGEN ...................................... 2
2.1 Wärmespannungen ......................................... 2
2.1.1 Ursachen für Wärmespannungen ..................... 2
2.1.2 Wärmeleitung ..................................... 3
2.1.3 Thermisch-elastische Grundgleichungen ............ 4
2.2 Feuerfeste Werkstoffe unter Spannung .................... 7
2.2.1 Festigkeitsverhalten feuerfester Materialien ..... 7
2.2.2 Bruchmechanik .................................... 7
2.2.2.1 linear-elastische Bruchmechanik
(LEBM) .................................. 8
2.2.2.2 Nichtlineare Bruchmechanik ............. 14
2.2.3 Schädigungsprozesse ............................. 17
2.2.3.1 Diffuse Mikrorissbildung ............... 18
2.2.3.2 Rissausbreitung ........................ 19
3 THERMOSCHOCKEXPERIMENTE UND DEREN BEURTEILUNGSKRITERIEN ..... 21
3.1 Genormte Prüfverfahren zur Bestimmung der TWB
feuerfester Werkstoffe ................................. 21
3.1.1 DIN EN 993-11 Prüfverfahren für dichte
geformte feuerfeste Erzeugnisse - Bestimmung
der Temperaturwechselbeständigkeit .............. 21
3.1.2 DIN 51068 Prüfung keramischer Roh- und
Werkstoffe - Bestimmung des Widerstandes gegen
schroffen Temperaturwechsel -
Wasserabschreckverfahren für feuerfeste
Steine .......................................... 22
3.1.3 ASTM-Standards .................................. 22
3.2 Spezielle und ungenormte Prüfverfahren zur
Bestimmung der TWB feuerfester Werkstoffe .............. 23
3.3 Beurteilungskriterien zum Thermoschockverhalten
feuerfester Werkstoffe ................................. 26
3.3.1 Schädigungsparameter ............................ 27
3.3.2 Schadenstoleranzparameter ....................... 28
4 MODELLIERUNG DER WÄRMESPANNUNG .............................. 34
4.1 Modellbildung .......................................... 34
4.2 Lösung des Wärmespannungsproblems ...................... 35
4.2.1 Instationäre Wärmeleitung ....................... 36
4.2.1.1 Körper mit hohem Verhältnis der
Wärmeleitfähigkeit zum
Wärmeubergangskoeffizienten ............ 36
4.2.1.2 Körper mit niedrigem Verhältnis
der Wärmeleitfähigkeit zum
Wärmeubergangskoeffizienten ............ 38
4.2.1.3 Körper mit nicht vernachlässigbarem
Wärmeübergangswiderstand ............... 39
4.2.1.4 Monotone Aufheizung der
Körperoberfläche ....................... 43
4.2.2 Wärmespannungsfeld .............................. 43
4.2.2.1 Dünne Viereckplatte von
gleichmäßiger Dicke .................... 44
4.2.2.2 Rechtwinkliger Prisma - Stein .......... 46
4.3 Vorhersagefähigkeit des Modells ........................ 47
4.3.1 Berechnung des Temperatur- und
Wärmespannungsfeldes ............................ 47
4.3.2 Verfeinerte Berechnung der
Thermoschockgütewerte ........................... 48
4.3.2.1 Schädigungsparameter ................... 48
4.3.2.2 Schadenstoleranzparameter .............. 52
5 EXPERIMENTELLER AUFBAU UND VERSUCHSDURCHFÜHRUNG ............. 54
5.1 Thermoschockversuchsanlage ............................. 54
5.1.1 Bestimmung der Temperaturverteilung ............. 56
5.1.2 Probenpräparation ............................... 56
5.2 Versuchsdurchführung ................................... 57
5.3 Untersuchte Materialien ................................ 58
6 ERGEBNISSE UND DISKUSSION ................................... 60
6.1 Thermoschockversuche ................................... 60
6.1.1 Instationäre Temperaturfelder ................... 60
6.1.2 Wärmespannungsberechnung ........................ 62
6.1.3 Schädigung des Probekörpers ..................... 66
6.1.1 Visuelle Beobachtung ............................ 66
6.1.3.2 Messung der Ultraschalllaufzeit ........ 67
6.1.3.3 Korrelation zwischen der beobachteten
Schädigung des Probekörpers
und den berechneten
Wärmespannungen ........................ 69
6.2 Modellierung ........................................... 71
6.2.1 Einfluss der materialspezifischen Kennwerte
und der Thermoschockbedingungen ................. 73
6.2.2 Überprüfung der Vorhersagefähigkeit
des Modells ..................................... 75
6.2.2.1 Obereinstimmung zwischen der
ermittelten Temperaturverteilung und
der aus dem Modell errechneten
Temperaturverteilung ................... 76
6.2.2.2 Experimentelle Überprüfung der
verfeinert berechneten
Thermoschockgütewerte .................. 79
6.2.2.3 Verfeinert berechnete
Thermoschockgütewerte für
die industrielle Anwendung ............. 81
6.2.3 Anpassung des Modells zur Beurteilung der DIN
51068 Norm (Wasserabschreckverfahren für
feuerfeste Steine) .............................. 83
6.2.3.1 Temperaturverteilung in einer Plane -
Überlagerung zweier
halbunendlicher Körper ................. 84
6.2.3.2 Temperaturverteilung in einem
Zylinder und einer Kugel ............... 87
7 KURZFASSUNG ................................................. 92
7.1 Modellierung ........................................... 92
7.2 Thermoschockexperiment ................................. 95
7.3 Ergebnisse ............................................. 96
7.4 Schlussfolgerungen ..................................... 97
8 ANHANG ...................................................... 99
9 LITERATURVERZEICHNIS ....................................... 103
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