In spröden Werkstoffen breiten sich Mikrorisse langsamer aus als bisher angenommen

Um das Bruchverhalten solcher Werkstoffe voraussagen zu können, müssen sowohl die Rissausbreitungsgeschwindigkeit als auch die Ursachen für die Risse bestimmt werden. Bisher beruhten die theoretischen Kenntnisse auf einer Maximalgeschwindigkeit, die der sogenannten Rayleigh-Geschwindigkeit entspricht, d.h. der Geschwindigkeit der akustischen Oberflächenwellen im Material (ca. 900 m/s).

Ein Forscherteam des CEA-IRAMIS [1], des SVI [2] sowie des LTDS [3] konnte nun nachweisen, dass die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Mikrorissen (durch Materialdefekte entstanden) viermal langsamer ist, als bisher angenommen.

Für ihre Untersuchungen zerbrachen die Forscher Plexiglas-Proben mit einem unterschiedlichen Kraftaufwand. Wie erwartet brachen die Proben schneller mit zunehmendem Kraftaufwand. Ab einer bestimmten Bruchgeschwindigkeit wird die Rissausbreitung von einer Vielzahl von Mikrorissen (die auf die winzigen Materialdefekte zurückzuführen sind, die im Material immer vorkommen) vor der Hauptrissfront begleitet. Pro Sekunde bilden sich Hunderte Millionen solcher Mikrorisse, was die Beobachtung eines einzelnen Risses in Echtzeit unmöglich macht. Jeder Mikroriss hinterlässt jedoch eine Spur auf den Bruchoberflächen, so dass diese im Anschluss von den Forschern analysiert werden können.

Die Forscher haben festgestellt, dass sich alle Mikrorisse mit der gleichen Geschwindigkeit ausbreiten (ca. 200 m/s) und zwar unabhängig vom eingesetzten Kraftaufwand. Im Vergleich dazu erhöht sich auf mikroskopischer Ebene die Bruchgeschwindigkeit mit zunehmendem Kraftaufwand auf bis zu 500 m/s. Solche Werte werden durch die Verschmelzung der Mikrorisse mit dem Hauptriss erreicht. Diese Ergebnisse widerlegen die bislang vorherrschende Theorie, das die zusätzliche Energiedissipation bei der Entstehung von Mikrorissen den Bruch des Bauteils verlangsamen würde.

Somit konnten die Forscher den Einfluss mikroskopischer Defekte in einem Material auf dessen Bruchverhalten nachweisen. Diese Ergebnisse ebnen neue Wege zur Verbesserung von Materialeigenschaften wie beispielsweise die Bruchfestigkeit.

[1] CEA – IRAMIS: französische Behörde für Atomenergie und alternative Energien – Institut für Materie und Strahlung in Saclay – http://iramis.cea.fr
[2] SVI: Institut für Glasoberflächen und Schnittstellen – http://www.svi.cnrs-bellevue.fr
[3] LTDS: Labor für Tribologie und Systemdynamik – http://ltds.ec-lyon.fr/spip/

Weitere Informationen:
– Originalpublikation: “Understanding fast macroscale fracture from microcrack post mortem patterns”, PNAS – 27.12.2011 – http://www.pnas.org/content/109/2/390

Quelle:
– Pressemitteilung des CNRS – 18.01.2012 – http://www2.cnrs.fr/presse/communique/2429.htm

Redakteur: Lucas Ansart, lucas.ansart@diplomatie.gouv.fr