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Werkstofftechnik 1 - Spaltbruch

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Werkstofftechnik 1

Spaltbruch

Ein SpaltBruch tritt immer dann auf, wenn vor der Rissausbreitung keine oder eine nur minimale plastische Verformung an der Rissspitze gegeben ist. Dies bedeutet, dass sich der Riss bei dieser Bruchart in einer elastisch verformten Umgebung ausbreitet. Breitet sich nun der Riss aus, so wird die im Material gespeicherte elastische Verzerrungsenergie verringert. Gleichzeitig muss eine bestimmte Oberflächenenergie zur Bildung der neuen Oberfläche des größer werdenden Risses aufgebracht werden. 

Die elastische Verzerrungsenergie und die Oberflächenenergie sind durch folgende Beziehungen gegeben:

$ W_E = - \frac{\pi\cdot l^2 \cdot \sigma^2}{E} $

[Vorzeichen negativ, da mit steigender Risslänge l die Verzerrungsenergie abnimmt]

$ W_O = 4 \cdot l \cdot \gamma_O $

[ $\gamma_O $ ist die werkstoffspezifische Oberflächenenergie]

Merke

Hier klicken zum Ausklappen Ein Riss kann sich nur dann ausbreiten, wenn die Zunahme der Oberflächenenergie kleiner ist, als die freiwerdende Verzerrungsenergie.

Aus diesem Zusammenhang ergibt sich die Gleichgewichtsbedingung

$\frac{dW}{dl} = \frac{d (W_E + W_O)}{dl} = - \frac{2 \cdot \pi \cdot l \cdot \sigma^2}{E} + 4 \gamma_O = 0 $. 

Hieraus lässt sich nun auch die Spannung $\sigma_c $ isolieren, die für die Rissausbreitung verantwortlich ist

$\sigma_c \ge \frac{2 \cdot \gamma_O \sqrt{E}}{\pi \cdot l} $. 

Aus diesen Beziehungen wird deutlich, dass für eine Rissausbreitung beim Spaltbruch eine Werkstoff spezifische und spannungsabhängige kritische Risslänge notwendig ist. Diese kann entweder schon bei der Herstellung des Werkstoffs vorliegen oder durch inhomogene Versetzungsbewegungen mit bis zu tausend einzelnen Versetzungsbewegungen entstehen.

Die Ausbreitung beginnt zunächst in Einzelkörnern auf Spaltebenen, überschreitet dann Korngrenzen und führt dann zum Spaltbruch. Als Spaltebenen kommen Ebenen mit sehr niedriger Oberflächenenergie in Frage.
Ist der Spaltbruch vollzogen, so lassen sich an den Bruchflächen facettenartige Strukturen erkennen, die durch die gebrochenen Kristallebenen entstehen.

Merke

Hier klicken zum Ausklappen Da der Spaltbruch ein sehr verformungsarmer Bruch ist, kann er schwerwiegende Ausmaße annehmen. Man versucht daher in der Konstruktionstechnik immer bereits in der Entwicklung von Bauteilen ein späteres Auftreten dieser Bruchart auszuschließen.