Einleitung und Ziel des Versuches
Das Ziel des Versuches ist es, das Thermoschockverhalten von Glasproben zu untersuchen. Bei einem Thermoschock wird die Probe von einer hohen Temperatur möglichst schnell auf eine niedrige Temperatur mit dem Unterschied
abgekühlt. Dabei wird der äussere Bereich einer Probe schneller abgekühlt als der Kern, so daß es aufgrund des thermischen Ausdehnungskoeffizienten zu Spannungen zwischen den Bereichen kommt. Bei Überschreitung eines gewissen Wertes dieser Spannungen kommt es zu Rissen in dem Material und somit zu Beschädigungen.Die Eigenschaften des Materials lassen sich mittels zweier so
genannter Thermschockparameter
bzw. 
bestimmen, diese geben an, welches der maximale Temperatursprung ist, den ein Material ohne permanente Beschädiung übersteht. Diese sind wie folgt definiert:
(1)
(2)Hierbei werden folgende Kenngrößen des Materials verwendet:
Wärmeleitfähigkeit
Entspricht der Geschwindigkeit des Transports von thermischer Energie durch das Material. Je höher die Wärmeleitfähigkeit ist, desto eher wird in diesem Versuch auch der Kern der Probe erwärmt, so daß diese eine höhere Temperaturdifferenz unbeschadet überstehen können.
Bruchfestigkeit
Die Spannung gibt die aufgebrachte Kraft pro Probenquerschnitt senkrecht zur Kraft an. Je größer diese Kraft ist, desto eher kommt es zu Materialbeschädigungen. Die Bruchfestigkeit ist die maximal mögliche Spannung.
Poissonzahl
Gibt das Verhältnis zwischen Längendehnung und Querkontraktion bei einer bestimmten Kraft an. Je kleiner dieser Wert ist, desto weniger Spannung entsteht im Material, wenn eine Kraft angelegt ist.
Thermischer Ausdehnungskoeffizient
Der thermische Ausdehnungskoeffizient gibt die Längenausdehnung des Materials bei Temperaturänderung an.
Elastizitätsmodul E
Gibt bei Belastung in einer Richtung das Verhältnis zwischen Spannung und Dehnung des Materials an, solange diese sich im Bereich der elastischen Verformung befinden.
Als Probenmaterial wird gewöhnliches Glas verwendet (siehe Abbildung). Dieses ist amorph, seine Eigenschaften sind also in allen Raumrichtungen gleich. Weiterhin lässt sich aufgrund der Durchlässigkeit für elektromagnetische Wellen im optischen Bereich und des unterschiedlichen Brechungsindexes für Luft und Glas die Rissbildung mit bloßem Auge beobachten.
Durchführung
- Als erstes werden die Glasproben entgratet. Dies dient dazu, bereits bestehende Defekte an den Kanten zu entfernen, da durch die Defekte Spannungen im Material bestehen.
- Die Abmessungen der Proben werden bestimmt und die Proben eindeutig gekennzeichnet.
- Die Proben werden mittels einer Heizplatte erwärmt. Hierbei wir mittels eines Thermometers die Temperatur der Proben bestimmt.
- Die Proben werden mittels einer Pinzette in ein Wasserbad verbracht, dessen Temperatur vorher bestimmt wurde. Die Pinzette wurde zuvor erwärmt, um nicht bereits hierdurch Spannungen durch die Temperaturdifferenz zwischen Probe und Pinzette entstehen.
- Nach dem Eintauchen im Wasserbad werden die Proben visuell auf Risse untersucht.
- Bei den Proben wird die Eigenfrequenz bestimmt, indem sie mit einem Hämmerchen angeregt werden und die emittierten Schwingungen mittels eines Mikrophons gemessen werden. Diese Frequenz wird zur späteren Bestimmung des E-Moduls benötigt.
- Die Restfestigkeit der Proben wird durch einen 4-Punkt-Biegeversuch nach der ASTM-Norm ermittelt.
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Heizplatte mit Proben und Thermometerfühler:
4-Punkt-Biegeversuch:
Auswertung
Messwerte
Probe Breite (mm) Höhe (mm) Länge (mm) Gewicht (g) 
Frequenz (KHz) Kraft (Newton) a 3,96 2,85 29,89 0,85 0 16,73 171,7 b 3,87 2,77 29,88 0,85 0 16,64 131,0 c 4,00 2,88 29,98 0,85 61,3 16,73 250,2 d 4,02 2,86 29,89 0,85 61,3 16,79 123,2 e 3,98 2,87 30,04 0,85 93,2 16,40 16,6 f 3,98 2,88 30,01 0,85 93,2 16,58 75,4 g 4,01 2,88 30,11 0,86 122,0 16,02 17,0 h 3,96 2,89 30,10 0,86 122,0 16,15 15,5 i 3,96 2,87 29,85 0,84 173,6 15,85 16,6 k 3,94 2,88 30,15 0,84 173,6 15,81 10,2 errechnete Werte
Die Bruchspannung wird aus
berechnet, 
und 
sind aus
dem Versuchsaufbau vorgegeben, B, H und F wurden gemessen und sind
aus obiger Tabelle ersichtlich. Des weiteren wird das E-Modul
berechnet nach Formel 9 der Versuchsbeschreibung. Werte, die nicht
gemessen wurden, werden aus der ebenfalls dort angegebenen Tabelle
bezogen.
Probe (K)E (GPa) (MPa)a 0 70 80 b 0 71 63 c 61,3 76 122 d 61,3 69 56 e 93,2 67 7,6 f 93,2 67 34 g 122,0 64 7,7 h 122,0 65 7,0 i 173,6 61 7,6 k 173,6 62 4,7 Die Berechnung des Thermoschockparameters nach Gleichungen 1 und 2 für die Referenzproben ergibt:
Probe (K) (
)a 89 0,09 b 69 0,07 Literaturwert 88 0,09 Beobachtungen
Bei den Proben a, b, c und d trat keine Veränderung nach dem Thermoschock auf, die Temperaturdifferenz liegt auch unter dem berechneten Wert für den ersten Thermoschockparameter. Bei allen anderen Proben zeigen sich mehr oder weniger starke Rissbildungen im Material, diese werden umso stärker, je höher die Temperaturdifferenz gewählt wird.
Glasproben nach der Versuchsdurchführung:
Diagramme
Elastizitätsmodul in Abhängigkeit von:
Bruchfestigkeit in Abhängigkeit von :
Diskussion der Ergebnisse
Wie man am Diagramm und den Messwerten erkennen kann, verändern sich die Materialeigenschaften der Proben oberhalb eines Thermoschocks in der Größe des ersten Thermoschockparameters
, was auch mit den berechneten Werten für die Proben übereinstimmt. Bei einem Thermoschock, der diesen Wert deutlich überschreitet, wird das Material beschädigt, was sich optisch in Rissbildung und messbar in einer verringerten Bruchfestigkeit äußert. Auch das Elastizitätsmodul E verringert sich mit steigender Temperaturdifferenz. Die anfangs sehr gut zu sehenden Risse sind nach einiger Zeit nicht mehr sichtbar, das liegt daran, daß sich das Material wieder auf eine gleichmäßige Temperatur eingependelt hat. Bei der Abkühlung zieht sich das Äussere der Proben zusammen, so daß in den Rissen Luft einströmen kann, was sich in Lichtbrechung in Form von Rissen darstellt. Diese sind auch später als Materialdefekt noch vorhanden.
Der Versuch könnte verbessert werden, indem man versucht, mögliche Fehlerquellen auszuschliessen. Diese liegen insbesondere in einer ungenauen Temperaturmessung der Proben und einer nicht genau definierten Abgabe von Energie an die Umgebung, während die Probe von der Heizplatte in das Wasserbad verbracht wird. Auch sind die Proben nicht gleichmäßig, hierzu müßten alle identisch geschliffen werden. Eine feinere Unterteilung mittels mehr Proben mit unterschiedlichen Temperaturen könnte 
genauer bestimmen, bei diesem Versuch lagen nur 2 Proben in der Nähe des rechnerisch ermittelten Wertes. Auch die Ermittlung der Kraft, die im 4-Punkt-Biegeversuch zum Bruch führt, könnte verbessert werden, indem die Kraft langsam und gleichmäßig gesteigert wird und nicht vom Durchführenden abhängig ist.
