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.
- Stückweiser Rissfortschritt bei stetiger Energiezufuhr wird als unterkritische bzw. stabile Rissausbreitung bezeichnet und kommt hauptsächlich durch Materialermüdung vor. Dabei ist der Riss die größte Zeit der Bauteillebensdauer in diesem Stadium ein Haarriss.
- Steht allerdings genügend Energie zur Verfügung, breitet sich der Riss mit enormer Geschwindigkeit aus. Dieses wird überkritische bzw. instabile Rissausbreitung genannt.
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 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 
mit jeweils geringerer Amplitude belastet und die Rissausbreitungsgeschwindigkeit
gemessen wird.
Unterhalb eines Schwellwertes (threshold) 
bzw. 
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.
Verwandte Themen
- Bruchzähigkeit - Widerstand eines Materials gegen instabilen Rissfortschritt
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Datum der letzten Änderung: Jena, den: 28.12. 2021