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Rissausbreitung

siehe auch Riss

Die Rissausbreitung ist ein physikalischer Prozess, der unter bestimmten Voraussetzungen in einem Form- oder Bauteil nach der Rissinitiierung auftritt und zur makroskopischen Trennung – dem Bruch – führen kann. Rissausbreitung tritt im Werkstoff auf, wenn werkstoffabhängige Grenzwerte wie z. B. der kritische Spannungsintensitätsfaktor überschritten werden.

Hinsichtlich der Rissausbreitung werden prinzipiell verschiedene Arten unterschieden:

  • stabile Rissausbreitung und
  • instabile Rissausbreitung.

Die stabile Rissausbreitung ist durch eine relativ geringe Rissgeschwindigkeit gekennzeichnet. Darüber hinaus benötigt der Riss weitere von außen zugeführte Energie, um weiter zu wachsen. Dies ist z. B. bei der Rissausbreitung in Folge einer Ermüdung der Fall.

Im Gegensatz dazu werden bei der instabilen Rissausbreitung Rissgeschwindigkeiten bis hin zur Schallgeschwindigkeit in dem betreffenden Werkstoff erreicht. Die instabile Rissausbreitung verläuft außerdem unter Energiefreisetzung.

Die aus den unterschiedlichen Rissausbreitungsarten resultierenden Bruchflächen unterscheiden sich oftmals bezüglich ihrer Struktur und Charakterisitik. Dies ist z. B. ein wichtiger Aspekt im Rahmen der Schadensanalyse, bei der anhand mikrofraktografischer Untersuchungen Rückschlüsse auf die Rissausbreitung gezogen werden können.

Im Rahmen der technischen Bruchmechanik können auf der Grundlage unterschiedlicher Konzepte Kennwerte ermittelt werden, die den Werkstoffwiderstand gegen instabile bzw. stabile Rissausbreitung getrennt voneinander quanitativ beschreiben.

Bezieht man den mikroskopischen (morphologischen) Bereich in die Betrachtungen ein, so konnte für Kunststoffe in den Arbeiten von Seidler [3, 4] gezeigt werden, dass sich strukturelle Änderungen in diesen Werkstoffen wesentlich stärker in den Kennwerten widerspiegeln, die die Rissausbreitung beschreiben, wie z. B. der Reißmodul. Die physikalische Rissinitiierung hingegen wird deutlich geringer beeinflusst. Diese Unterschiede bedeuten für den Bereich der Werkstoffoptimierung und auch der Bauteilbewertung, dass zur Beurteilung sowohl Rissinitiierungskennwerte als auch Rissausbreitungskennwerte betrachtet werden müssen.

Zur Beurteilung der Stabilität eines Körpers mit einem makroskopischen Riss ist ein kontinuumsmechanisches Rissmodell erforderlich. Dabei erfolgte keine Einbeziehung der im mikroskopischen Bereich stattfindenden Deformationsprozesse [1].

Das bekannteste Rissmodell wurde von Griffith, Alan Arnold [2] in Verbindung mit seiner energetischen Bruchhypothese eingeführt. Dieser GRIFFITH-Riss ist ein langer und schmaler Riss der Länge 2a in einer unter Zugspannung stehenden Scheibe unendlicher Ausdehnung (siehe GRIFFITH-Kriterium).


Literaturhinweise

[1] Blumenauer, H., Pusch, G.: Technische Bruchmechanik. Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie, Leipzig Stuttgart (1987) (siehe AMK-Büchersammlung unter E 29-2)
[2] Griffith, A. A.: In: Proceedings of the first International Congress for Applied Mechanics, Delft (1924)
[3] Seidler, S., Grellmann, W.: Zähigkeit von teilchengefüllten und kurzfaserverstärkten Polymerwerkstoffen. Fortschr.-Berichte VDI-Reihe 18: Mechanik/ Bruchmechanik Nr. 92, VDI Verlag GmbH, Düsseldorf (1991), (ISBN 3-18-149218-3; siehe AMK-Büchersammlung unter A 4)
[4] Seidler, S.: Anwendung des Risswiderstandskonzeptes zur Ermittlung strukturbezogener bruchmechanischer Werkstoffkenngrößen bei dynamischer Beanspruchung. Habilitation (1997). Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg. VDI Verlag GmbH, Düsseldorf (ISBN 3-318-323118-2; siehe AMK-Büchersammlung unter B 2-1)