Rissausbreitung

Rissausbreitung bezeichnet das fortschreitende Wachstum eines Risses in festen Körpern unter Belastung. In der Bruchmechanik wird untersucht, wie Risse entstehen, sich ausweiten und Bauteile versagen können. Der Antrieb des Risswachstums wird durch Spannungs- oder Energiefelder beschrieben: Der Energieabflussquotient G und der Spannungsintensitätsfaktor K charakterisieren die Belastung am Riss. Nach dem Griffith-Kriterium wächst ein Riss, wenn G mindestens Gc ist; in der linear-elastischen Bruchmechanik gilt dies bis zur Bruchzähigkeit Kc, über der das Material versagt. Die drei Rissausbreitungsmodi sind Mode I (Aufweitung), Mode II (Gleiten) und Mode III (Schub).

Risswachstum kann statisch oder zyklisch erfolgen. Unter zyklischer Belastung spricht man von Ermüdung; da/dN wird oft durch Funktionen von ΔK beschrieben, bekanntes Beispiel ist das Paris-Gesetz: da/dN = C (ΔK)^m. Umwelt- und temperaturabhängige Mechanismen können die Ausbreitung beschleunigen (Korrosion, Wasseraufnahme, Hochtemperatur- oder feuchte Umgebungen). Zeit- und temperatureffekte führen auch zu Creep-Crack-Growth.

Wichtige Einflussfaktoren sind Werkstoffstruktur und -zähigkeit, Legierung, Mikrostruktur, Oberflächenzustand, Temperatur, Belastungsdauer und -rate sowie Umweltreize. Methoden der Analyse umfassen theoretische Berechnungen im LEFM, numerische Simulationen (Finite-Elemente-Methode, Phase-Field-Modelle, Cohesive-Zone-Modelle) sowie experimentelle Verfahren wie Crack-Opening-Displacement, Charpy- oder Izod-Prüfungen, Fraktographie und Lebensdauerabschätzung.

Anwendungen finden sich in Luft- und Raumfahrt, Automobilbau, Brücken-, Pipeline- und Maschinenbau; Ziel ist Lebensdauerabschätzung, Überwachung und rechtzeitige Wartung, um materielle Versagensereignisse zu verhindern.