Risswachstum

Risswachstum

Die Modellierung von Risswachstum ist eine Grundidee der Bruchmechanik, wie ein Riss (Materialbruch) entsteht.

Inhaltsverzeichnis

Arten des Risswachstums

Ein aus der Ruhelage beschleunigter Riss kann sich je nach zur Verfügung stehender Energie auf unterschiedliche Art ausbreiten.

  • Stückweiser Rissfortschritt bei stetiger Energiezufuhr wird als unterkritische bzw. stabile Rissausbreitung bezeichnet und kommt hauptsächlich in der Materialermüdung vor. Dabei verbringt der Riss die größte Zeit der Bauteillebensdauer in diesem Stadium als Haarriss.
  • Steht allerdings genügend Energie zur Verfügung, breitet sich der Riss mit enormer Geschwindigkeit aus. Man spricht von überkritischer bzw. instabiler Rissausbreitung.

Messung und Modellierung

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 dem Logarithmus der Schwingbreite des Spannungsintensitätsfaktors für einen metallischen Werkstoff 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 ΔKc mit jeweils geringerer Amplitude belastet und die Rissausbreitungsgeschwindigkeit gemessen wird.

Risswachstumsgeschwindigkeit über der Spannungsintensität

Unterhalb eines Schwellwertes (threshold) K0 bzw. Kth ist an einem vorhandenen, langen Riss keine Ausbreitung messbar (Bereich A). Oberhalb dieses Wertes steigt die Rissgeschwindigkeit stetig an und die Kurve mündet in einen Bereich exponentiellen Zusammenhangs der Rissfortschrittsgeschwindigkeit mit der Belastungsamplitude. Dieser in der Abbildung als B gekennzeichnete Bereich wird als Paris-Risswachstum bezeichnet. 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 (Bereich C).

Siehe auch

Literatur

  • H. Gudehus, H. Zenner: Leitfaden für eine Betriebsfestigkeitsrechnung. Verlag Stahleisen mbH, Düsseldorf 1995
  • S. Suresh: Fatigue of Materials. Cambridge University Press, Cambridge 1998
  • P.C. Paris, M.P. Gomez, W.E. Anderson: A Rational Analytic Theory of Fatigue. The Trend in Engineering Vo.13 No.1 (1961), S. 9-14
  • P.C. Paris, F. Erdogan: A Critical Analysis of Crack Propagation Laws. Transactions of the ASME, Journal of Basic Engineering 85 (1963), S. 528-534
  • Fracture Mechanics and Fatigue: A Historical Perspective. Fatigue and Fracture of Engineering Materials and Structures 21 (1998), S. 535-540
  • ASTM Standard E 647-95, Standard test method for measurement of fatigue crack growth rates, Annual Book of ASTM Standards, vol. 03.01, pp. 578-614, 1995

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