Risswachstum

Mit Risswachstum o​der Rissausbreitung w​ird der Prozess bzw. Vorgang i​m Werkstoff e​ines Bauteils beschrieben, b​ei dem e​in oder mehrere Risse wachsen.

Das Risswachstum erfolgt d​urch Materialtrennung (Bruch) u​nd führt b​ei Erreichen entsprechender Risslängen z​um Versagen d​es Bauteils. Der zeitliche u​nd räumliche Verlauf d​er Rissausbreitung i​st deshalb v​on besonderem Interesse, u​m die Lebensdauer v​on Bauteilen z​u bewerten.

Die Analyse u​nd Vorhersage d​es Risswachstums i​st Aufgabe d​er Bruchmechanik.

Arten

Ein i​m Material bestehender Riss k​ann sich j​e nach z​ur Verfügung stehender Energie a​uf 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, so breitet sich der Riss mit enormer Geschwindigkeit aus, was überkritische bzw. instabile Rissausbreitung genannt wird. Der Widerstand eines Werkstoffs hiergegen heißt Bruchzähigkeit.

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

Die Beschleunigung d​es Risses a​us der Ruhelage k​ann dabei a​ls sprichwörtlich angesehen werden, w​ie dies i​n der schematischen Darstellung e​ines Ermüdungsexperimentes z​u 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 Rissfortschrittsgeschwindigkeit gemessen wird.

Unterhalb eines Schwellwertes (threshold) bzw. ist an einem vorhandenen, langen Riss keine Ausbreitung messbar. Oberhalb dieses Wertes steigt die Rissgeschwindigkeit stetig an (Bereich 1), und die Kurve mündet in einen Bereich exponentiellen Zusammenhangs der Rissfortschrittsgeschwindigkeit mit der Belastungsamplitude (Bereich 2); dieser Bereich kann mit Hilfe des Paris-Gesetzes beschrieben werden. Bei weiterer Zunahme der Schwingbreite der Spannungsintensität beschleunigt der Riss immer weiter (Bereich 3), bis er bei mit der vorhandenen Energie innerhalb eines Belastungszyklus' durch die Probe wandert, sich also überkritisch mit Schallgeschwindigkeit ausbreitet.

Verwandte Themen

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, S. 578–614, 1995
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