Bruchmechanik

Bruchmechanik ist das Fachgebiet der Mechanik, das sich mit der Entstehung und Ausbreitung von Rissen in Festkörpern unter mechanischer Belastung befasst. Ziel ist es, das Versagensverhalten von Bauteilen vorherzusagen und Muster für sicheres Design sowie Lebensdauerabschätzungen zu liefern. In der Linear-Elastic-Fracture Mechanics (LEFM) wird angenommen, dass der plastische Bereich nahe dem Riss klein bleibt; bei duktilen Materialien kommen nichtlineare Ansätze zum Einsatz.

Zentrale Größen sind der Spannungsintensitätsfaktor K, die Energieabflussrate G und der Bruchzähigkeitswert K_IC bzw. G_IC. In vielen Fällen gilt G = K^2 / E', wobei E' je nach Geometrie und Belastung plane Spannung oder plane Dehnung berücksichtigt. Risse können verschiedene Modi aufweisen: Mode I (öffnender Zug), Mode II (in-plane Scherung) und Mode III (ausplane Scherung).

Das Bruchkriterium basiert auf Griffiths Idee, dass Risswachstum erfolgt, wenn die freigesetzte Energie G den kritischen Wert Gc erreicht. Irwin führte den Spannungsintensitätsfaktor als Widerstandsgröße ein und verband LEFM mit Materialbrüchigkeit. In der Praxis wird der Risswuchs oft mit der Paris-Gesetzgebung beschrieben: da/dN = C (DeltaK)^m, wobei DeltaK der Wechsel des Spannungsintensitätsfaktors ist.

Experimentell werden Fracture-Toughness-Tests (z. B. Compact-Tension, Single-Edge-Notch-Bending) durchgeführt, und Frakturgeometrien werden mittels J-Integral, Cohesive-Zone-Modelle oder fortgeschrittener Finite-Elemente-Methoden analysiert. Moderne Ansätze nutzen auch XFEM und Multi-Scale-Modelle. Anwendungsgebiete reichen von Luftfahrt, Energie- und Bauwesen bis zur Instandhaltung alter Infrastrukturen, die anfällig für Rissausbreitung sind.