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Über die Theorie von Rissen und Brüchen

Warum Dinge kaputt gehen

| Redakteur: Dr. Ilka Ottleben

„Unsere Grundlagenforschung trägt zur Entwicklung optimierter Werkstoffe mit maßgeschneiderter Mikrostruktur bei.“ Prof. Dr. Erik Bitzek, Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg
„Unsere Grundlagenforschung trägt zur Entwicklung optimierter Werkstoffe mit maßgeschneiderter Mikrostruktur bei.“ Prof. Dr. Erik Bitzek, Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (Bild: Johannes J. Möller)

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Seine Leidenschaft gilt Materialien, ihren Strukturen – und den Stellen, an denen sie brechen: Werkstoffwissenschaftler Prof. Dr. Erik Bitzek. LP-Chefredakteur Marc Platthaus führte mit ihm ein Gespräch über die Theorie von Rissen und Brüchen.

LP: Ein Steinschlag in der Windschutzscheibe, ein „Sprung“ in der Kaffeetasse – was scheinbar harmlos anfängt, wächst sich manchmal zum echten Problem aus. Herr Prof. Bitzek, wovon hängt es ab, ob ein Riss fortschreitet?

Prof. Dr. Erik Bitzek: Zunächst einmal gibt es da die Begriffe „Bruchfestigkeit“ und „Bruchzähigkeit“. Im Gegensatz zur Bruchfestigkeit beschreibt die Bruchzähigkeit nicht einfach die maximal anliegende mechanische Spannung, bei der eine Probe bricht, sondern den Widerstand gegen den Fortschritt von existierenden Rissen. Riss-ähnliche Defekte oder Kerben führen dazu, dass die anliegende Spannung konzentriert wird. Vor einem längeren Riss herrscht demnach bei gleicher anliegender Spannung eine höhere Spannungsintensität als vor einem kürzeren Riss. Der kritische Spannungsintensitätsfaktor, bei dem ein Riss fortschreitet – die Bruchzähigkeit – stellt einen Werkstoffkennwert dar, mit dem man Bauteile gegen Bruch auslegen kann. Er hängt u.a. von der Temperatur, der Belastungsgeschwindigkeit und insbesondere auch von der Mikrostruktur ab. Ein Material gleicher Zusammensetzung kann also je nach Prozessgeschichte ganz unterschiedliche Bruchzähigkeiten aufweisen.

LP: Und was passiert im Detail, wenn ein Riss seinen Weg fortsetzt?

Prof. Bitzek: In duktilen Werkstoffen wie Kupfer bilden sich vor der Rissspitze durch plastische Verformung Poren, die zusammenwachsen und so zum Bruch führen. Hier spielen linienhafte Kristalldefekte, die so genannten Versetzungen, eine besondere Rolle. Ihre Bewegung führt zu bleibender, plastischer, Verformung. Beim Sprödbruch, z.B. von Glas, brechen hingegen nacheinander einzelne atomare Bindungen. In unserem aktuellen Projekt, das sich mit der theoretischen Vorhersage der Bruchzähigkeit von Werkstoffen beschäftigt, geht es jedoch um so genannte semi-spröde Materialien wie Stahl, die einen Übergang von Sprödbruch bei tiefen Temperaturen zu duktiler Verformung bei höheren Temperaturen zeigen. Hier konkurrieren plastische Versetzungsprozesse an der Rissspitze mit dem Brechen von Bindungen.

LP: Im Rahmen Ihres Forschungsprojekts „microKIc – Microscopic Origins of Fracture Toughness“ untersuchen Sie insbesondere die Wechselwirkungen zwischen Rissen und Materialdefekten. Welche Methoden verwenden Sie hierzu?

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Zur Person – Prof. Dr. Erik Bitzek

Prof. Bitzek: Beim Bruch spielen Prozesse auf ganz unterschiedlichen Skalen eine Rolle, die alle miteinander gekoppelt sind. So bestimmt unter anderem die plastische Deformation in der weiteren Umgebung der Rissspitze, wieviel Energie dem Riss überhaupt zur Verfügung steht. Da man nicht ganze Bauteile Atom für Atom simulieren kann, müssen entsprechend unterschiedliche Simulationsmethoden für die jeweiligen Skalen verwendet werden. Auf der kleinsten Skala verwenden wir tatsächlich atomistische Simulationen, da nur solche Rechnungen mit hunderten von Millionen Atomen das Bindungsbrechen und die Versetzungsentstehung in drei Dimensionen beschreiben können. Die hier gewonnenen Informationen fließen dann in so genannte Versetzungsdynamiksimulationen ein, mit denen die Bewegung und Wechselwirkung einer Vielzahl von Kristalldefekten untersucht werden können. Auf größeren Skalen kommen dann angepasste Kristallplastizitätsmodelle und die Finite-Elemente-Methode zum Einsatz. Die Simulationen werden dabei direkt mit Experimenten verglichen. Neben klassischen makroskopischen Bruchexperimenten kommen in diesem Zusammenhang besonders in-situ mikromechanische Versuche zum Einsatz.

LP: Welche Aussagen sind auf diese Weise möglich?

Prof. Bitzek: Mit dieser neuen Methode können Bruchversuche direkt im Elektronenmikroskop an nur wenigen tausendstel Millimeter großen, gekerbten Biegebalken durchgeführt werden. Dies erlaubt eine gezielte Untersuchung des Einflusses einzelner Materialdefekte, wie beispielsweise von Ausscheidungen oder Korngrenzen auf das Bruchverhalten.

LP: Was versprechen Sie sich von besseren Modellen zur Vorhersage der Bruchzähigkeit?

Prof. Bitzek: Unsere Modelle und Rechnungen sind nicht dazu gedacht wohletablierte Bruchexperimente zu ersetzen. Allerdings gelten die aus Experimenten gewonnenen Materialkennwerte nur für die jeweiligen Temperaturen, Belastungsgeschwindigkeiten und Werkstoffzustände. Ändert sich die Mikrostruktur z.B. durch (versehentliche) plastische Deformation oder durch Strahlenschädigung wie in Reaktordruckbehältern, müssten erneut Experimente durchgeführt werden. Für höhere Belastungsgeschwindigkeiten müsste über die experimentellen Ergebnisse hinaus extrapoliert werden. Besonders für die Charakterisierung experimentell nicht leicht zugänglicher Zustände bietet sich unser Ansatz einer mechanismenbasierten Modellierung an. Weiterhin trägt das aus unserer Grundlagenforschung gewonnene bessere Verständnis des Mikrostruktureinflusses auf das Bruchverhalten zur Entwicklung optimierter Werkstoffe mit maßgeschneiderter Mikrostruktur bei. Das Verständnis der Riss-Mikrostruktur-Wechselwirkung ist weiterhin von grundlegender Bedeutung für viele verwandte technische Herausforderungen beispielsweise die Vorhersage und Vermeidung von Ermüdungsversagen sowie Wasserstoffversprödung und Spannungsrisskorrosion.

Vielen Dank für das Gespräch Herr Prof. Bitzek.

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