Bruchmechanik

Die Bruchmechanik befasst sich mit dem Versagen rissbehafteter Bauteile bzw. der Ausbreitung von Rissen unter statischen und dynamischen Belastungen bis zum Bruch. Sie beinhaltet Elemente der Werkstoffkunde, der Elastostatik und der Plastomechanik.

Grundlagen

Riss und Bruch

Mauerriss durch Setzung

Allen bruchmechanischen Konzepten ist gemeinsam, dass eine bereits vorhandene Fehlstelle (Riss) im Bauteil unterstellt wird. Diese kann infolge des Herstellprozesses als Lunker, Einschluss, Spannungsriss o. ä. entstanden sein oder erst im Einsatz, z. B. bei zyklischer Beanspruchung gebildet werden. Die Schädigungsmechanik behandelt die Entstehung und Ausbreitung dieser Mikrorisse von bis zu 1 mm Länge. Ausgehend von Annahmen bzgl. der Geometrie und Beanspruchung dieser Fehlstelle, werden über ein Zähigkeitsmaß Bedingungen formuliert, unter denen es zu einem unzulässigen Risswachstum bis hin zum Bruch, dem übersteigen der Bruchfestigkeit, kommt. Die Aussagesicherheit der klassischen Festigkeitsrechnung soll somit erhöht werden.

Systematik der Brüche

• Sprödbruch (auch Trennbruch)
• Ermüdungsbruch (auch Dauerbruch)
• Verformungsbruch (auch duktiler Bruch)

Konzepte der Bruchmechanik

Folgende Bruchmechanikkonzepte sind bekannt:

• Linear-elastische Bruchmechanik (LEBM, besonders für spröde Werkstoffe geeignet)
  • Nennspannungskonzept
• Fließbruchmechanik (FBM, besonders für duktile Werkstoffe geeignet)
  • CTOD-Konzept
  • J-Integral-Konzept

Geschichte

Der britische Ingenieur Alan Arnold Griffith untersuchte den Einfluss von oberflächlichen Krazern auf die Stabilität und entwickelte eine Theorie des Bruchs, insbesondere ein Bruchkriterium des Sprödbruchs.

In den 1930er und 40er Jahren kam es zu einer Häufung von katastrophalen Schäden durch Sprödbruch an großen geschweißten Stahlkonstruktionen, wie Schiffen und Brücken. Aus der Untersuchung dieser Schäden entwickelte sich eine eigenständige Fachrichtung, deren Gegenstand das Verhalten rissbehafteter Körper ist.

Die Bruchmechanik erlebte insbesondere im Zusammenhang mit der Auslegung kerntechnischer Komponenten in den 1970er Jahren eine rasche Weiterentwicklung.

Heutige Modelle lassen etwa auch den Untergang der Titanic als Bruchversagen eines falsch legierten Stahls rekonstruieren.

Mit der Software AFGROW, deren Vorgängerversionen ab Anfang der 1980er Jahre programmiert wurden, steht ein Werkzeug für Berechnungen von Bruchmechanik und Rissfortschritt im Rahmen von Stabilitätsuntersuchungen metallischer Werkstoffe zur Verfügung.

Siehe auch

• Risszähigkeit

Literatur

• T. L. Anderson: Fracture Mechanics; Fundamentals and Applications. CRC Press, Boca Raton 2004, ISBN 978-0849316562.
• D. Gross, Th. Seelig: Bruchmechanik mit einer Einführung in die Mikromechanik. 4. Aufl., Springer, Berlin 2007, ISBN 978-3-540-37113-7.

Weblinks

 Commons: Fracture mechanics – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien