Risswachstum

Mit Risswachstum oder Rissausbreitung wird der Prozess bzw. Vorgang im Werkstoff eines Bauteils beschrieben, bei dem ein oder mehrere Risse wachsen. Das Risswachstum erfolgt durch Materialtrennung (Bruch) und führt bei Erreichen entsprechender Risslängen zum Versagen des Bauteils. Der zeitliche und räumliche Verlauf der Rissausbreitung ist deshalb von besonderen Interesse, um die Lebensdauer von Bauteilen zu bewerten. Die Analyse und Vorhersage des Risswachstums ist Aufgabe der Bruchmechanik.

Arten des Risswachstums

Ein im Material bestehender Riss kann sich je nach zur Verfügung stehender Energie auf unterschiedliche Art ausbreiten.

Messung und Modellierung

Risswachstumskurve für einen Makroriss unter zyklischer Beanspruchung (Risswachstumsgeschwindigkeit da/dN als Funktion der Schwingbreite des Spannungsintensitätsfaktors ΔK)

Die Beschleunigung des Risses aus der Ruhelage kann dabei als sprichwörtlich angesehen werden, wie dies in der schematischen Darstellung eines Ermüdungsexperimentes zu sehen ist.

In diesem Diagramm ist die Rissfortschrittsgeschwindigkeit über der Schwingbreite des Spannungsintensitätsfaktors für einen metallischen Werkstoff doppelt-logarithmisch aufgetragen. Diese Kurve wird im load stepping-Verfahren bestimmt, indem eine CT-Probe (Compact Tension, die Standardprobe in der Bruchmechanik) mit gezielt eingebrachtem Riss stufenweise von einer Belastung kurz unterhalb der kritischen Spannungsintensität {\displaystyle \Delta K_{\mathrm {c} }} mit jeweils geringerer Amplitude belastet und die Rissausbreitungsgeschwindigkeit gemessen wird.

Unterhalb eines Schwellwertes (threshold) {\displaystyle \Delta K_{\mathrm {0} }} bzw. {\displaystyle \Delta K_{\mathrm {th} }} ist an einem vorhandenen, langen Riss keine Ausbreitung messbar. Oberhalb dieses Wertes steigt die Rissgeschwindigkeit stetig an und die Kurve mündet in einen Bereich exponentiellen Zusammenhangs der Rissfortschrittsgeschwindigkeit mit der Belastungsamplitude (Bereich 2). Dieser in der Abbildung gekennzeichnete Bereich 2 kann mit Hilfe des Paris-Gesetzes beschrieben werden. Bei weiterer Zunahme der Schwingbreite der Spannungsintensität beschleunigt der Riss immer weiter, bis er mit der vorhandenen Energie innerhalb eines Belastungszyklus durch die Probe wandert, sich also überkritisch mit Schallgeschwindigkeit ausbreitet.

Stabile Rissausbreitung

Die stabile Rissausbreitung erfolgt unter ständigem Exergieverbrauch und kann im Endeffekt zu einem makroskopischen Zähbruch führen. Ein sich über einen langen Zeitraum erstreckender Prozess der stabilen Rissausbreitung wird als subkritisches (allmähliches) Risswachstum bezeichnet. Es ist charakteristisch für den Ermüdungsbruch, den Kriechbruch und den Bruch infolge Spannungsrisskorrosion.

Instabile Rissausbreitung

Die instabile Rissausbreitung erfolgt unter Energiefreisetzung und kann nach dem vorherigen stabilen Risswachstum auftreten. Die instabile Rissausbreitung verläuft mit hoher Geschwindigkeit und hat als Resultat im Allgemeinen den makroskopischen Sprödbruch. Der Beginn der instabilen Rissausbreitung bei Erreichen eines kritischen Wertes des Spannungsintensitätsfaktors ist als Bruchkriterium der linear-elastischen Bruchmechanik definiert.

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Basierend auf einem Artikel in: Wikipedia.de
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Datum der letzten Änderung:  Jena, den: 15.08. 2017