Schädigungsmechanik

Die Schädigungsmechanik beschreibt im Rahmen der Kontinuumsmechanik die infolge von Werkstoffschädigung veränderten Materialeigenschaften einer Struktur. Ziel ist es, die im Mikrobereich ablaufenden Schädigungsvorgänge im Materialmodell zu erfassen, während die daraus im Makrobereich resultierenden Risse durch die Bruchmechanik beschrieben werden. Darauf aufbauend kann man dann für technische Konstruktionen, deren Werkstoffe in der Betriebszeit Schädigungsprozessen unterliegen, die Tragfähigkeit bewerten bzw. die Lebensdauer vorhersagen.

Übersicht

Schema zur Bildung, Wachstum und Koaleszenz von Hohlräumen im Werkstoff, die zur Initiierung von Makrorissen führen kann.

Im Allgemeinen enthalten reale Materialien bereits im unbelasteten Zustand mikroskopische Defekte und Inhomogenitäten, welche die makroskopische Festigkeit des betreffenden Bauteils entscheidend beeinflussen können. Diese mikroskopischen Materialstörungen können z.B. in Metallen in Form von Mikrohohlräumen (z.B. Lunkern), Mikrorissen, Einschlüssen und Ausscheidungen auftreten. Die Anzahl, Größe sowie Verteilung dieser Mikrodefekte im sogenannten Matrixmaterial, der eigentlich tragenden Struktur, sind für die auftretenden mikromechanischen Schädigungsprozesse signifikant. Als Maß für die Werkstoffschädigung kann dabei das entsprechende Hohlraumvolumen angesehen werden.

Wird das Bauteil durch eine äußere Belastung beansprucht, vergrößern sich die Mikrohohlräume und -risse weiter und wachsen letztlich zusammen, während sich in Gegenden mit hoher Spannungskonzentration, z.B. an Einschlüssen, neue Mikrohohlräume bilden können. Am Ende dieses Prozesses der Strukturschädigung im Werkstoff steht der vollständige Verlust der Materialbindung und es entsteht durch Materialtrennung ein makroskopischer Riss.

Die Modelle der Schädigungsmechanik sind in der Lage, diese Prozesse mittels phänomenologisch oder mikromechanisch begründeter Schädigungsgesetze zu beschreiben. Bekannte Materialmodelle sind z.B. das Gurson-Modell und das Rousselier-Modell, welche von im Matrixmaterial verteilten kugelförmigen Hohlräumen ausgehen.

Basierend auf einem Artikel in:

Wikipedia.de