Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Eine Theorie für rasende Risse

19.01.2006


Stuttgarter Max-Planck-Forscher und Forscher am Massachusetts Institute of Technology (MIT) entwickeln gemeinsam ein Modell, das die Ausbreitung von Rissen beschreibt


Schematisches Bild, das die Entstehung von Bruchinstabilitäten zeigt. Nach spiegelglatten Kanten ("mirror") wird der Riss bei langsamer Ausbreitung des Risses immer rauer ("mist"), bis er sich schließlich sogar verzweigt ("hackle"). Bild: M. Buehler/Massachusetts Institute of Technology


Auftreten von Bruchinstabilitäten. Bei einer kritischen Geschwindigkeit wird die Bewegung eines Risses instabil. Er breitet sich dadurch nicht mehr geradlinig aus, was zu immer unebeneren Oberflächen führt. Bild: M. Buehler/Massachusetts Institute of Technology



Wenn Materialien zerreißen, dann werden Atombindungen aufgebrochen. Wie das genau vor sich geht, war lange ein Rätsel. Nun haben Wissenschaftler am Massachusetts Institute of Technology (MIT) in Cambridge und am Max- Planck-Institut für Metallforschung in Stuttgart dafür eine Theorie entwickelt, unterstützt von aufwändigen Simulationen, die sie zuvor auf Parallelrechnern verschiedener Max-Planck-Institute durchführten. Während herkömmliche Theorien von einem linearen Zusammenhang zwischen Zugspannung und Materialbeanspruchung ausgingen, konnten die Wissenschaftler zeigen, dass die Beanspruchungen in Wirklichkeit hochgradig nichtlinear sind, weil besonders an der Spitze des Risses starke Verformungen auftreten. Ergebnis: Die neue nichtlineare Theorie der Rissentstehung gilt für viel mehr Materialien als ihre Vorgängertheorien - und ist möglicherweise nicht nur für Materialwissenschaftler interessant, sondern auch zum Beispiel für Erdbebenforscher (Nature, 19. Januar 2006).



Seit Jahrzehnten versuchen Forscher die Ausbreitung von Rissen in Materialien zu beschreiben. Klar ist: Wenn Materialien reißen, dann trennen sich Atome und es entstehen neue Oberflächen. Dabei zeigen Experimente: Geschieht das langsam, dann entstehen atomare Oberflächen, die spiegelglatt sind, während schnellere Risse die Oberflächen immer unregelmäßiger werden lassen, bis der Riss sich schließlich verzweigt (s. Abb. 1 und Abb. 2). Dieses Verhalten - dynamische Bruchinstabilität genannt - lässt sich in vielen spröden Materialien beobachten, unter anderem in Metallen, Polymeren oder Halbleitern.

Seit einigen Jahren ist daher klar, dass man bei der Entstehung solcher Phänomene die Atome in die Erklärung einbeziehen muss - doch es blieb ein Rätsel, wie. Welche Physik spielt dabei im Detail eine Rolle? Wie kann man die Geschwindigkeit der Rissausbreitung berechnen? Die existierenden Modelle standen nicht im Einklang mit der Realität oder Computersimulationen und widersprachen sich bisweilen sogar.

Nun hat ein Team um Markus Buehler und Huajian Gao auf der Basis von Computerexperimenten ein Modell entwickelt, dass die Ausbreitung der Risse erfolgreich beschreiben kann - und zwar in einer Vielzahl spröder Materialien. Die Wissenschaftler gehen davon aus, dass in der dynamischen Bruchinstabilität mehrerer Prozesse zusammenspielen, die alle zusammen vom Energiefluss und dem Spannungsfeld in der direkten Umgebung der Rissspitze gesteuert werden. Anders, als man bisher dachte, hat die Bruchinstabilität nichts mit etwaigen vorher vorhandenen Defekten in den Materialien zu tun, sondern tritt auch in absolut regelmäßigen Materialien auf.

"Wir haben entdeckt, dass sich die Ungereimtheiten in der Literatur lösen lassen, wenn man das Verhalten des Materials beim Aufbrechen der atomaren Bindungen betrachtet, anstatt nur Materialeigenschaften unter kleinen Zugbelastungen in die Rechnungen einzubeziehen, wie es bislang geschah", so Markus Buehler. "In Spezialfällen geht unsere neue Theorie in bestehende Modelle über. Sie erlaubt aber eine einheitliche Behandlung des Instabilitätsproblems bei einer viel größeren Klasse Materialien."

Die kleinen Zugbelastungen, auf die man in den herkömmlichen Modellen setzte, führten zu einem einfachen, linearen Zusammenhang zwischen Zugspannung und Materialbeanspruchung. Der war zwar leicht zu berechnen, erwies sich aber besonders an der Spitze eines Risses als falsch. Denn hier tritt "nichtlineare Elastizität" ("Hyperelastizität") auf (s. Abb. 3): Wegen der großen Spannungen auf engstem Raum spielen quantenmechanische und atomare Eigenschaften der Materialien an der Spitze des Risses plötzlich eine wichtige Rolle. Sie machen die Rechnung nicht nur nichtlinear, sondern beherrschen sogar die Ausbreitung des Risses.

In das Modell lassen sich auch ungewöhnliche Änderungen der Elastizität an der Spitze des Risses integrieren. So verändert sich zum Beispiel in bestimmten Materialien die Elastizität mit der Deformation - Gummi etwa ist weich, wenn man ihn wenig dehnt, bei starker Dehnung wird er dagegen hart. Daher wird die Deformationsenergie, die beim Reißen auftritt, je nach Deformation unterschiedlich stark geschluckt. Die neue Theorie zeigt: In solchen Materialien können sich Risse schneller als der Schall ausbreiten. Dies steht im Widerspruch zu allen gängigen Theorien, ist aber im Einklang mit den neu entwickelten Konzepten. Überschallrisse wurden kürzlich auch im Experiment entdeckt - die neue Theorie könnte als Erklärung dafür dienen.

Die Wissenschaftler vermuten, dass ihre neue Theorie auch in anderen Größenordnungen und Anwendungsbereichen eine Rolle spielen könnte. So könnten etwa Materialforscher die Rissausbreitung in Nanomaterialien untersuchen oder Architekten mit ihrer Hilfe die Rissentstehung in Gebäuden beschreiben. Eine wichtige Rolle spielen Risse und ihre Ausbreitung auch in der Erforschung von Erdbeben: Möglicherweise wird auch hier die neue Theorie helfen.

Originalveröffentlichung:

Markus J. Buehler, Huajian Gao
Dynamical fracture instabilities due to local hyperelasticity at crack tips

Dr. Andreas Trepte | Max-Planck-Gesellschaft
Weitere Informationen:
http://www.mpg.de

Weitere Berichte zu: Bruchinstabilität Elastizität Riss

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Materialwissenschaften:

nachricht Fraunhofer IMWS entwickelt biobasierte Faser-Kunststoff-Verbunde für Leichtbau-Anwendungen
23.04.2018 | Fraunhofer-Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWS

nachricht Ein Wimpernschlag vom Isolator zum Metall
17.04.2018 | Forschungsverbund Berlin e.V.

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Materialwissenschaften >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

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

Im Focus: BAM@Hannover Messe: Innovatives 3D-Druckverfahren für die Raumfahrt

Auf der Hannover Messe 2018 präsentiert die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM), wie Astronauten in Zukunft Werkzeug oder Ersatzteile per 3D-Druck in der Schwerelosigkeit selbst herstellen können. So können Gewicht und damit auch Transportkosten für Weltraummissionen deutlich reduziert werden. Besucherinnen und Besucher können das innovative additive Fertigungsverfahren auf der Messe live erleben.

Pulverbasierte additive Fertigung unter Schwerelosigkeit heißt das Projekt, bei dem ein Bauteil durch Aufbringen von Pulverschichten und selektivem...

Im Focus: BAM@Hannover Messe: innovative 3D printing method for space flight

At the Hannover Messe 2018, the Bundesanstalt für Materialforschung und-prüfung (BAM) will show how, in the future, astronauts could produce their own tools or spare parts in zero gravity using 3D printing. This will reduce, weight and transport costs for space missions. Visitors can experience the innovative additive manufacturing process live at the fair.

Powder-based additive manufacturing in zero gravity is the name of the project in which a component is produced by applying metallic powder layers and then...

Im Focus: IWS-Ingenieure formen moderne Alu-Bauteile für zukünftige Flugzeuge

Mit Unterdruck zum Leichtbau-Flugzeug

Ingenieure des Fraunhofer-Instituts für Werkstoff- und Strahltechnik (IWS) in Dresden haben in Kooperation mit Industriepartnern ein innovatives Verfahren...

Im Focus: Moleküle brillant beleuchtet

Physiker des Labors für Attosekundenphysik, der Ludwig-Maximilians-Universität und des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik haben eine leistungsstarke Lichtquelle entwickelt, die ultrakurze Pulse über einen Großteil des mittleren Infrarot-Wellenlängenbereichs generiert. Die Wissenschaftler versprechen sich von dieser Technologie eine Vielzahl von Anwendungen, unter anderem im Bereich der Krebsfrüherkennung.

Moleküle sind die Grundelemente des Lebens. Auch wir Menschen bestehen aus ihnen. Sie steuern unseren Biorhythmus, zeigen aber auch an, wenn dieser erkrankt...

Im Focus: Molecules Brilliantly Illuminated

Physicists at the Laboratory for Attosecond Physics, which is jointly run by Ludwig-Maximilians-Universität and the Max Planck Institute of Quantum Optics, have developed a high-power laser system that generates ultrashort pulses of light covering a large share of the mid-infrared spectrum. The researchers envisage a wide range of applications for the technology – in the early diagnosis of cancer, for instance.

Molecules are the building blocks of life. Like all other organisms, we are made of them. They control our biorhythm, and they can also reflect our state of...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

infernum-Tag 2018: Digitalisierung und Nachhaltigkeit

24.04.2018 | Veranstaltungen

Fraunhofer eröffnet Community zur Entwicklung von Anwendungen und Technologien für die Industrie 4.0

23.04.2018 | Veranstaltungen

Mars Sample Return – Wann kommen die ersten Gesteinsproben vom Roten Planeten?

23.04.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

RWI/ISL-Containerumschlag-Index auf hohem Niveau deutlich rückläufig

24.04.2018 | Wirtschaft Finanzen

BAM@Hannover Messe: Innovatives 3D-Druckverfahren für die Raumfahrt

24.04.2018 | HANNOVER MESSE

infernum-Tag 2018: Digitalisierung und Nachhaltigkeit

24.04.2018 | Veranstaltungsnachrichten

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics