Spannungsintensitätsfaktor

Der Spannungsintensitätsfaktor, meist als K bezeichnet, ist in der Bruchmechanik eine Größe, die die Intensität des singulären Spannungsfeldes in der Umgebung der Spitzen einer Risszone beschreibt. Er fasst Belastung, Risslänge und Geometrie des Bauteils zusammen und dient zur Vorhersage, ob ein Riss weiter wächst. Es gibt drei Belastungsmodi: Modus I (Öffnungs- oder Öffnung des Risses), Modus II (Gleiten bzw. Reibung senkrecht zur Rissfläche) und Modus III (Zerrung durch Scherverformung).

In der Linearen Elastischen Bruchmechanik (LEFM) besitzt das Spannungsfeld nahe der Rissspitze eine 1/√r-Singularität. Die Amplitude dieses Feldes wird durch KI, KII bzw. KIII bestimmt, je nachdem welcher Modus vorliegt. K-Werte hängen von der äußeren Last, der Risslänge a sowie von Geometrie und Randbedingungen ab. Der Materialwert KIC (auch Kc genannt) ist die Bruchzähigkeit: Bruch tritt auf, wenn der relevante Spannungsintensitätsfaktor den kritischen Wert KIC erreicht oder überschreitet.

Anwendung und Bedeutung: K-Werte ermöglichen eine designorientierte Beurteilung von Risswachstum und Bauteilsicherheit. Häufig wird der Wechsel von Lasten durch ΔK betrachtet, wobei das Risswachstum durch Gesetze wie das Paris-Gesetz beschrieben wird: da/dN = C (ΔK)^n, mit C und n materialabhängigen Konstanten. In der Praxis werden KI-Werte experimentell in Prüfungen wie Compact-Tension (CT) oder Single-Edge-Notch-Bend (SENB) bestimmt oder numerisch über Finite-Elemente-Verfahren berechnet. Der Spannungsintensitätsfaktor ist damit ein zentrales Konzept zur Bewertung von Rissausbreitung, Sicherheit und Lebensdauer von Bauteilen unter verschiedensten Belastungen.