Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Risse durchbrechen die Schallmauer

13.11.2003


Zone mit hohem Energiefluss zum Riss und Ausdehnung der hyperelastischen Bereiche. Bild (a) zeigt die Verteilung des lokalen Energieflusses in der Nähe des Risses. Die rot gefärbte Region definiert eine charakteristische Längenskala für den Energietransport. Bild (b) zeigt Regionen mit nichtlinearem (hyperelastischem) Materialverhalten. Hyperelastizität dominiert die Rissdynamik, wenn die hyperelastische Region ähnlich groß ist wie die charakteristische Längenskala für den Energietransport. Da in diesem Fall die elastischen Eigenschaften bei großen Dehnungen den Energietransport dominieren, und damit auch die Geschwindigkeit des Energietransports beeinflusst wird, beschleunigt oder verlangsamt sich die Rissgeschwindigkeit. Dann können viele neue Phänomene auftreten, die von der klassischen Theorie nicht vorhergesagt werden, wie die Rissausbreitung mit Überschallgeschwindigkeit.

Bild: Max-Planck-Institut für Metallforschung


Rissausbreitung jenseits der Schallmauer. Die Abbildung zeigt Momentaufnahmen eines Risses unter Scherbelastung (vergleichbar einem Erdbeben), wobei sich der Riss mit einer Geschwindigkeit jenseits der longitudinalen Wellengeschwindigkeit von Feststoffen ausbreitet. Zur Rissausbreitung mit Hyperschall liegt auch ein Video vor (s. "Verwandte Links"); der gezeigte Vorgang läuft innerhalb einer halben Nanosekunde ab. Die zwei Machkegel oder Schockwellen (in Analogie zum Überschallknall bei Überschallflugzeugen) zeigen, dass sich der Riss schneller als der Schall ausbreitet. Dieses Phänomen kann nicht mit klassischen Theorien der Rissdynamik, sondern nur mit Hilfe des hyperelastischen Modells erklärt werden.
Bild: Max-Planck-Institut für Metallforschung


Stuttgarter Materialwissenschaftler haben entdeckt, unter welchen Bedingungen sich Risse mit Überschallgeschwindigkeit in spröden Werkstoffen ausbreiten


Glas zerbricht, Stahl reißt, Gummi platzt - es gibt vielerlei Arten, wie Materialien bei Überbeanspruchung versagen können. Doch bis heute sind viele der atomaren Ursachen für Materialversagen noch unbekannt. So werden manche Materialien bei großen Dehnungen weich, andere wiederum hart - ein Phänomen, das man als Hyperelastizität bezeichnet. Wissenschaftler vom Max-Planck-Institut für Metallforschung in Stuttgart und dem IBM Almaden Forschungszentrum in San José, USA, haben jetzt die Dynamik von Rissen in spröden Werkstoffen in umfangreichen Computersimulationen untersucht. Sie berechneten die Bewegung jedes einzelnen Atoms in einem solchen Material auf der Grundlage der Newtonschen Bewegungsgesetze und entdeckten, dass sich Risse sogar mit Überschallgeschwindigkeit ausbreiten können, wenn Hyperelastizität jenen Bereich um die Rissspitze dominiert, der für den Energietransport wichtig ist. Mit Hilfe leistungsfähiger Supercomputer konnten die Wissenschaftler auch ableiten, unter welchen Bedingungen die Dynamik der Rissausbreitung durch Hyperelastizität bestimmt wird - wichtige Erkenntnisse für das Verständnis von Erdbeben oder die Entstehung und Bewegung von Rissen in Flugzeugen oder Raumfahrzeugen (Nature, 13. November 2003). Sie stehen in klarem Widerspruch zur klassischen Theorie, nach der die Geschwindigkeit von elastischen Wellen - in Analogie zur Lichtgeschwindigkeit in der Relativitätstheorie - als Höchstgeschwindigkeit für die Rissausdehnung in Materialien gilt.

Die meisten theoretischen und numerischen Werkzeuge eines Ingenieurs beruhen heute auf der klassischen Physik des Kontinuums. Doch in den letzen Jahrzehnten hat sich immer mehr die Meinung durchgesetzt, dass gerade die Vorgänge auf atomarer Ebene wichtig sind, wenn man verstehen will, wofür bestimmte Materialien geeignet sind - und unter welchen Bedingungen sie versagen. Zudem stellt die fortlaufende Miniaturisierung vieler Technologien neue Herausforderungen: Die Abmessung der dabei verwendeten Werkstoffe hat in vielen Fällen bereits den Nanometerbereich erreicht, in dem die klassische Beschreibung von Festkörpern als Kontinuum immer fraglicher wird. Heute nutzt man deshalb aufwändige Computersimulationen, um herauszufinden, wie sich Materialien in diesen winzigen Dimensionen tatsächlich verhalten. Die Simulationen ergeben "ab-initio" Informationen über Deformationsmechanismen und das Materialversagen auf Längen- und Zeitskalen, die man in Experimenten nicht erreichen und für die man keine Vorhersagen aus der Kontinuumstheorie treffen kann. Inzwischen kann man bereits das Verhalten von Materialien im Mikrometer-Bereich simulieren, also von einigen Milliarden Atomen. Spätestens in einigen Jahren sollten solche Simulationen nicht nur ein wichtiges Werkzeug für technologische Innovationen in den Materialwissenschaften sein, sondern auch für den Ingenieur zur Routine werden.


Die Wissenschaftler-Gruppe vom Max-Planck-Institut für Metallforschung in Stuttgart und dem IBM Almaden Forschungszentrum in San José, Kalifornien, USA, hat speziell die Dynamik von Rissen in spröden Materialien mit Hilfe riesiger Computersimulationen untersucht. Dabei entdeckten die Forscher einen wichtigen, bislang fehlenden Aspekt in der heutigen Theorie der dynamischen Rissausbreitung: Die Elastizität von Festkörpern hängt von der Intensität ihrer Verformung ab. So werden Metalle weich, Polymere hingegen hart, wenn sie sich durch zunehmende Dehnung dem Zustand des Materialversagens nähern. "Nur für unendlich kleine Deformationen kann man annehmen, dass sich die elastischen Eigenschaften eines Materials nicht ändern und sein Verhalten linear ist," sagt dazu Prof. Huajian Gao, Direktor am Max-Planck-Institut für Metallforschung in Stuttgart. "Trotzdem beschreiben viele der heutigen Theorien die Rissausbreitung auf der Grundlage linearer Elastizität und vernachlässigen, wie unterschiedlich sich Materialien bei kleinen oder großen Dehnungen verhalten. Die bisherigen Theorien sind deshalb aus unserer Sicht zu bezweifeln, denn wenn sich ein Riss in einem Werkstück ausbreitet, bricht das Material an der Rissspitze gerade wegen der extrem großen Deformationen in diesem Bereich."

Die Wissenschaftler zeigen in ihrer Untersuchung, dass auch Hyperelastizität, also die Elastizität bei großen Dehnungen, das Verhalten von Rissen bestimmen kann. Denn während sich Risse ausbreiten, absorbieren und vernichten sie Energie vom umgebenden Material. "Wir haben eine neue charakteristische Längenskala entdeckt, die jenen Bereich um den Riss beschreibt, aus dem Energie transportiert werden muss, damit der Riss seine Ausbreitung fortsetzen kann," so Gao. "Bei extrem hohen Spannungen ist diese Längenskala nur einige Dutzend Nanometer groß."

Diese charakteristische Längenskala ist proportional zur Rissoberflächenenergie und den elastischen Eigenschaften und umgekehrt proportional zum Quadrat der angelegten elastischen Spannung. Im Gegensatz zum bisherigen Verständnis ist kein Energietransport von weiter entfernten Regionen zum Riss notwendig, sondern nur von einem kleinen, lokal begrenzten Bereich, der durch die charakteristische Längenskala beschrieben ist. Abbildung 1 (a) zeigt die Verteilung des Energieflusses in der Nähe des Risses. Die Region umfangreichen Energietransports ist in Rot markiert und definiert die kritische Längenskala für den Energiefluss. Abbildung 1 (b) stellt die Region dar, in dem sich das Material nichtlinear, also hyperelastisch verhält.

Ist die hyperelastische Zone in Abb. 1 (b) ähnlich groß wie der Bereich umfangreichen Energieflusses, versagt die Annahme linearer Elastizität und damit auch die klassische Theorie der Rissausbreitung. Denn in weichen Materialien verläuft der Energietransport langsamer, in harten Materialien schneller. Entsprechend beschleunigt oder verlangsamt sich die Rissgeschwindigkeit bei einem ausreichend großen hyperelastischen Bereich. Ist die Region um den Riss durch Hyperelastizität verhärtet, kann in kürzerer Zeit sehr viel mehr Energie zum Riss transportiert werden. Umgekehrt wird der Energietransport langsamer, wenn der Bereich um die Rissspitze weicher wird. Daher schlussfolgern die Wissenschaftler, dass die Hyperelastizität entscheidend ist, um die Dynamik von Rissen korrekt verstehen und vorhersagen zu können.

Bestimmt Hyperelastizität ihre Dynamik, können Risse sich schneller als alle elastischen Wellen bewegen. Eine Erkenntnis, die in krassen Widerspruch zu klassischen Theorien steht, nach denen die longitudinale Wellengeschwindigkeit eine undurchdringliche obere Grenze für die Rissgeschwindigkeit darstellt. Abbildung 2 zeigt eine Computersimulation, wie sich ein Riss unter Scherbelastung ausbreitet, die Schallmauer durchbricht und mit Überschallgeschwindigkeit (in Glas mit mehr als 5.300 Meter/Sekunde, d.h. mit mehr als 19.000 Stundenkilometer) durch das Material rast. Solche Phänomene können nur unter Berücksichtigung der Hyperelastizität verstanden werden.

Die Hyperelastizität dominiert den Energietransport zur Rissspitze, wenn sich die Größe der hyperelastischen Zone der des kritischen Energieflussbereichs nähert. Unter normalen experimentellen Bedingungen sind die Spannungen eine oder zwei Größenordnungen kleiner als in atomistischen Simulationen. In diesen Fällen ist die charakteristische Länge des Energietransports relativ groß, und der Effekt von Hyperelastizität auf die effektive Geschwindigkeit des Energietransports ist klein. Jetzt haben die Wissenschaftler gezeigt, dass - im Gegensatz dazu - bei nur einem Prozent Dehnung die charakteristische Länge für den Energietransport nur noch einige hundert Atomabstände, also nur einige Dutzend Nanometern groß ist. In diesem Fall treten sofort bedeutende hyperelastische Effekte auf. Von daher vermuten die Forscher, dass Hyperelastizität in nanostrukturierten Materialien wie dünnen Schichten oder bei sehr schnellen Verformungsvorgängen die Rissentwicklung dominiert. Denn in beiden Fällen treten sehr hohe Spannungen auf, so dass die Region, aus der Energie zum Riss fließen muss, relativ klein ist.

Hyperelastizität und ihr Zusammenspiel mit der kritischen Längenskala für den Energietransport kann nur in Computersimulationen von ausreichend großen Materialsystemen beobachtet werden. Dazu sind sehr große Rechnerressourcen erforderlich. Die Stuttgarter Rechnungen wurden an einem der leistungsfähigsten Rechenzentren der Welt, dem Rechenzentrum Garching (RZG) der Max-Planck-Gesellschaft, durchgeführt.

Weitere Informationen erhalten Sie von:

Prof. Huajian Gao
Max-Planck-Institut für Metallforschung, Stuttgart
Tel.: 0711 689-3510, Fax: -3512
E-Mail: hjgao@mf.mpg.de

Dr. Bernd Wirsing | Max-Planck-Gesellschaft
Weitere Informationen:
http://shasta.mpi-stuttgart.mpg.de/research/MD.html
http://shasta.mpi-stuttgart.mpg.de/people/buehler/movies/supersonic-low-mpg.mpg
http://shasta.mpi-stuttgart.mpg.de/people/buehler/movies/supersonic-low.avi

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Materialwissenschaften:

nachricht Studie InLight: Einblicke in chemische Prozesse mit Licht
22.11.2016 | Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT

nachricht Eigenschaften von Magnetmaterialien gezielt ändern
16.11.2016 | Christian-Albrechts-Universität zu Kiel

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Materialwissenschaften >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Greifswalder Forscher dringen mit superauflösendem Mikroskop in zellulären Mikrokosmos ein

Das Institut für Anatomie und Zellbiologie weiht am Montag, 05.12.2016, mit einem wissenschaftlichen Symposium das erste Superresolution-Mikroskop in Greifswald ein. Das Forschungsmikroskop wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) und dem Land Mecklenburg-Vorpommern finanziert. Nun können die Greifswalder Wissenschaftler Strukturen bis zu einer Größe von einigen Millionstel Millimetern mittels Laserlicht sichtbar machen.

Weit über hundert Jahre lang galt die von Ernst Abbe 1873 publizierte Theorie zur Auflösungsgrenze von Lichtmikroskopen als ein in Stein gemeißeltes Gesetz....

Im Focus: Durchbruch in der Diabetesforschung: Pankreaszellen produzieren Insulin durch Malariamedikament

Artemisinine, eine zugelassene Wirkstoffgruppe gegen Malaria, wandelt Glukagon-produzierende Alpha-Zellen der Bauchspeicheldrüse (Pankreas) in insulinproduzierende Zellen um – genau die Zellen, die bei Typ-1-Diabetes geschädigt sind. Das haben Forscher des CeMM Forschungszentrum für Molekulare Medizin der Österreichischen Akademie der Wissenschaften im Rahmen einer internationalen Zusammenarbeit mit modernsten Einzelzell-Analysen herausgefunden. Ihre bahnbrechenden Ergebnisse werden in Cell publiziert und liefern eine vielversprechende Grundlage für neue Therapien gegen Typ-1 Diabetes.

Seit einigen Jahren hatten sich Forscher an diesem Kunstgriff versucht, der eine simple und elegante Heilung des Typ-1 Diabetes versprach: Die vom eigenen...

Im Focus: Makromoleküle: Mit Licht zu Präzisionspolymeren

Chemikern am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) ist es gelungen, den Aufbau von Präzisionspolymeren durch lichtgetriebene chemische Reaktionen gezielt zu steuern. Das Verfahren ermöglicht die genaue, geplante Platzierung der Kettengliedern, den Monomeren, entlang von Polymerketten einheitlicher Länge. Die präzise aufgebauten Makromoleküle bilden festgelegte Eigenschaften aus und eignen sich möglicherweise als Informationsspeicher oder synthetische Biomoleküle. Über die neuartige Synthesereaktion berichten die Wissenschaftler nun in der Open Access Publikation Nature Communications. (DOI: 10.1038/NCOMMS13672)

Chemische Reaktionen lassen sich durch Einwirken von Licht bei Zimmertemperatur auslösen. Die Forscher am KIT nutzen diesen Effekt, um unter Licht die...

Im Focus: Neuer Sensor: Was im Inneren von Schneelawinen vor sich geht

Ein neuer Radarsensor erlaubt Einblicke in die inneren Vorgänge von Schneelawinen. Entwickelt haben ihn Ingenieure der Ruhr-Universität Bochum (RUB) um Dr. Christoph Baer und Timo Jaeschke gemeinsam mit Kollegen aus Innsbruck und Davos. Das Messsystem ist bereits an einem Testhang im Wallis installiert, wo das Schweizer Institut für Schnee- und Lawinenforschung im Winter 2016/17 Messungen damit durchführen möchte.

Die erhobenen Daten sollen in Simulationen einfließen, die das komplexe Geschehen im Inneren von Lawinen detailliert nachbilden. „Was genau passiert, wenn sich...

Im Focus: Neuer Rekord an BESSY II: 10 Millionen Ionen erstmals bis auf 7,4 Kelvin gekühlt

Magnetische Grundzustände von Nickel2-Ionen spektroskopisch ermittelt

Ein internationales Team aus Deutschland, Schweden und Japan hat einen neuen Temperaturrekord für sogenannte Quadrupol-Ionenfallen erreicht, in denen...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Von „Coopetition“ bis „Digitale Union“ – Die Fertigungsindustrien im digitalen Wandel

02.12.2016 | Veranstaltungen

Experten diskutieren Perspektiven schrumpfender Regionen

01.12.2016 | Veranstaltungen

Die Perspektiven der Genom-Editierung in der Landwirtschaft

01.12.2016 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Parkinson-Krankheit und Dystonien: DFG-Forschergruppe eingerichtet

02.12.2016 | Förderungen Preise

Smart Data Transformation – Surfing the Big Wave

02.12.2016 | Studien Analysen

Nach der Befruchtung übernimmt die Eizelle die Führungsrolle

02.12.2016 | Biowissenschaften Chemie