Quelltext der Seite GRIFFITH´s Theorie

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<span style="font-size:1.2em;font-weight:bold;">GRIFFITH'sche Theorie</span>

'''GRIFFITH’s Theorie zur Festigkeit und zum Versagen von Festkörpern'''
__FORCETOC__
==Allgemeines==

Die grundlegenden wissenschaftlichen Arbeiten zur [[Festigkeit]] und zum [[Bruchverhalten]] von Festkörpern wurden von [[Griffith]] für den Werkstoff Glas durchgeführt [1]. Die Übertragung der Ergebnisse auf metallische Werkstoffe ist eng mit der technischen Entwicklung der Kernenergie verbunden. Einige Jahre nach dem Tod von Griffith 1963 begann die Anwendung der [[Bruchmechanik]] in der Werkstoffentwicklung und Bauteilüberwachung von [[Kunststoffe]]n und [[Prüfung von Verbundwerkstoffen|Verbundwerkstoffen]].

==Die mechanische Festigkeit von Glas==

An der Entwicklung allgemeiner Vorstellungen über die [[Festigkeit]] des Glases und Möglichkeiten der Festigkeitssteigerung durch gesteuerte Kristallisation wurde in den 60-er Jahren am Otto-Schott-Institut der Friedrich-Schiller-Universität in Jena in der Arbeitsgruppe von Professor Werner Vogel gearbeitet [2].<br>
Nach der GRIFFITH’s Theorie wird die geringe effektive Festigkeit des Glases durch die Anwesenheit von zahllosen mikroskopischen kleinen [[Riss]]en im Glasvolumen hervorgerufen. Diese [[Riss]]e sollen halbelliptische Form besitzen, sie werden auch als Griffith’sche Taschen bezeichnet und sollen wie Spannungszentren wirken. Bei Belastung des Glases wird, von diesen Rissen ausgehend, der [[Bruchentstehung|Bruchvorgang]] früher einsetzen als bei fehlerlosem Glas. Nach [[Griffith, Alan Arnold|Griffith’s]] ersten Berechnungen sollten die Taschen etwa eine Größe von 5 µm besitzen. Auf Grund von experimentellen Ergebnissen verschiedener Autoren, die mit [[Elektronenmikroskopie|elektronenmikroskopischen Methoden]] gewonnen wurden, konnte nachgewiesen werden, dass [[Fehler]] an der [[Oberfläche]] ursächlich für das [[Bruch|Versagen]] sind. Maßnahmen zu einer entscheidenden Verbesserung der mechanischen Festigkeit des Glases müssen also primär in einer Oberflächenbeeinflussung bestehen.<br>
Die bedeutsamste Weiterentwicklung der GRIFFITH’schen Theorie erfolgte durch E. F. Poncelet (1944 und 1948) [3, 4]. Seine Vorstellungen von der „Genesis der Taschen“ berühren Glasstrukturprobleme offenbar sehr stark. Während [[Griffith]] seine ursprüngliche Auffassung später dahingehend änderte, dass er die Taschen nicht mehr im gesamten Glasvolumen, sondern nur noch in der Oberfläche annahm, geht Poncelet davon aus, dass, abgesehen von groben Oberflächenrissen, im Glas zunächst keine Taschen vorhanden sind. Durch eine Krafteinwirkung entstehen sie jedoch im gesamten Glasvolumen. Die wesentliche Annahme von Poncelet besteht darin, dass die zur Bildung der Taschen notwendige Spannung nur einen Teil der üblichen Bruchspannung zu betragen braucht.

Von Vogel [2] wird auf den Zusammenhang von in diesen Jahren erstmals nachgewiesenen tröpfchenförmigen Entmischungsbezirken und der Entstehung Griffith’scher Taschen hingewiesen.

Nach der Theorie von Poncelet sollen die Griffith’schen Taschen bereits bei einer Zugbelastung des Glases entstehen, die weit unter der Bruchspannung liegt.  Dies kommt also einem noch langsam verlaufenden Bruchvorgang rings um einen tröpfchenförmigen Entmischungsbezirk gleich, der zur Entstehung der Taschen, jedoch noch nicht zum makroskopischen [[Bruch]] des Prüfkörpers führt.<br>
Bei einem unter Zugbelastung stehenden Glasbereich, der einen tröpfchenförmigen Entmischungsbezirk enthält, wird der primär entstehende [[Riss]] zunächst immer senkrecht zur Zugrichtung verlaufen, dann jedoch entsprechend der Kugelgestalt der Inhomogenität zu einer Teilellipse einbiegen ('''Bild 1''').

[[Datei:Griffith-Theorie-Bild-1.jpg|200px]]
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|- valign="top"
|width="50px"|'''Bild 1''': 
|width="600px" |Schematische Darstellung der Entstehung einer Griffith’schen Tasche. Glasbereich mit tröpfchenförmigen Entmischungsbezirk. Bei Zugbelastung beginnt die Rissbildung grundsätzlich senkrecht zur Zugrichtung. Der [[Riss]] läuft dann in halbelliptischer Form um den Tröpfchenbezirk herum [2].
|}

==Nachweis von Griffith'schen Taschen und Griffith'scher Risse==

Der experimentelle Nachweis der Existenz der Griffith’schen Taschen im Glas gelang durch [[Elektronenmikroskopie|elektronenmikroskopische Methoden]].<br>
Das '''Bild 2''' zeigt die typischen halbelliptischen Griffith’schen Taschen, die sich durch Druck- und Zugbeanspruchung des Glases während des Poliervorganges ausgebildet haben.

[[Datei:Griffith-Theorie-Bild-2.jpg|300px]] 
{| 
|- valign="top"
|width="50px"|'''Bild 2''': 
|width="600px" |Tröpfchenförmiger Entmischungsbezirk in einem phosphatgetrübten Silicatglas. Durch Druck- und Zugbeanspruchung des vorliegenden Glases während des Poliervorganges hat sich eine typische halbelliptische Griffithsche Tasche um den Tröpfchenbezirk voll ausgebildet (Lichtmikroskopische Aufnahmen). Abbildungsmaßstab 200:1 [2]
|}

Das '''Bild 3''' zeigt ein Beispiel für eine [[Rissinitiierung|Rissbildung]] unmittelbar konzentrisch um einen Entmischungsbezirk. Bei sehr kleinen Entmischungsbezirken erfolgt die [[Rissinitiierung|Rissbildung]] unmittelbar an der [[Phasengrenzfläche|Phasengrenze]].

[[Datei:Griffith-Theorie-Bild-3.jpg|300px]] 
{| 
|- valign="top"
|width="50px"|'''Bild 3''': 
|width="600px" |Tröpfchenförmiger Entmischungsbezirk in einem phosphatgetrübten Silicatglas. Konzentrische Rissbildung um das Tröpfchen, jedoch in gewissem Abstand von der [[Phasengrenzfläche|Phasengrenze]]. Im Zentrum befindet sich eine während des Abkühlprozesses gebildete Blase. (Lichtmikroskopische Aufnahme), Abbildungsmaßstab 500:1 [2]
|}

Weitere elektronenmikroskopische Aufnahmen sind in [2] enthalten.

==Technische Nutzung==

Diese theoretischen Überlegungen zur [[Festigkeit]] und zum Versagen des Glases bildeten in der Technik die Grundlage für die Steigerung der Festigkeit von Glasprodukten, wie z. B. das Härten der [[Oberfläche]], wobei ein auf die [[Glastemperatur]] erhitztes Produkt durch Anblasen mit Kaltluft abgeschreckt wird. An der Glasoberfläche werden Druckspannungen ausgebildet, während im Glasinneren Zugspannungen wirken. Die [[Riss]]e in der Glasoberfläche werden zusammengedrückt und am Öffnen, d. h. dem Einleiten des [[Bruchentstehung|Bruchvorganges]] durch [[Rissausbreitung]] gehindert. Wird die Belastung größer als die eingebrachte Bruchspannung besteht die Gefahr des Versagens durch [[Bruch]].

Eine heute industriell genutzte Methode ist der Natrium-Kalium-Ionenaustausch an der Oberfläche, wobei gleichfalls der beschriebene Härtungseffekt auftritt.

==Siehe auch==

*[[GRIFFITH-Kriterium]]
*[[Rissmodell nach GRIFFITH]]
*[[Griffith, Alan Arnold]]
*[[Riss]]


'''Literaturhinweise:'''
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|-valign="top"
|[1]	
|[[Griffith, Alan Arnold|Griffith, A. A.]]: The Phenomena of Rupture and Flow in Solids. Philosophical Transactions of the Royal Society of London. Series A, Containing Papers of a Mathematical or Physical Character, Vol. 221 (1921) 163 – 198. JSTOR (letzter Zugriff 1. März 2024) DOI: [https://www.jstor.org/stable/91192 https://www.jstor.org/stable/91192]
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|-valign="top"
|[2]
|Vogel, W.: Struktur und Kristallisation der Gläser. Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie Leipzig (1971) (siehe [[AMK-Büchersammlung]] unter Q 3)
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|-valign="top"
|[3]	
|Poncelet, E. F.: Fracture and Communication of Brittle Solids. Metals Technol. 11 (1944) Techn. Publ. 1684
|-
|-valign="top"
|[4]
|Poncelet, E. F.: Theory of Static Fatigue for Brittle Solids. Fracturing of Metals. Amer. Soc. Metals (Cleveland) (1948) 201–227
|}

'''Weblink:'''

* Wikipedia – Die freie Enzyklopädie: [https://de.wikipedia.org/wiki/Alan_Arnold_Griffith Griffith, Alan Arnold]

[[Kategorie:Bruchmechanik]]