2. Der Lebenszyklus eines rissbehafteten Bauteils

In der Praxis werden die Stadien der Risskeimbildung und des Kurzrisswachstums häufig als Rissinitiierungsphase zusammengefasst. Diese umfasst alles was geschieht, bis der Riss unter praktischen Bedingungen, z. B. für das Auge, sichtbar wird. Im Unterschied dazu beginnt das Risswachstum, wie es in diesem Buch verstanden wird, mit dem Stadium des mikrostrukturell kurzen Risses. Die Unterscheidung ist vor allem dann wichtig, wenn die Bruchmechanik, wie in Abschn. 6.​5.​3 diskutiert, auf die Gesamtlebensdauer bzw. auf die Wöhlerkurve angewendet werden soll. Es zeigt sich, dass der entscheidende Anteil der Lebensdauer in technischen Werkstoffen in der Regel auf die Kurzrissstadien entfällt. Der Übergang vom Risskeim zum Riss ist fließend.

Zerbst, U. et al., Engng. Failure Anal. 97 (2019) 759–776; 97 (2019) 777–792; 98 (2029) 228–239.

Klinger, C. & Bettge D., Engng. Failure Anal. 23 (2013) 66–81.

Zerbst, U. et al., Engng. Fracture Mech. 82 (2012) 115–134.

Zerbst et al., Fatigue and Fracture of Weldments. The IBESS approach for the determination of the fatigue life and strength of weldments by fracture mechanics analysis; Springer, 2019.

Die Spannungskonzentration an zwei sphärischen Hohlräumen nimmt deutlich zu, wenn der Abstand zwischen ihnen deren Durchmesser unterschreitet.

Ein Problem stellt deren Definition dar, da in den Standards unterschiedliche Maße gebräuchlich sind. Im Kontext von Ermüdung hat sich die maximale Kerbtiefe R_z (oder, lokal R_max) bewährt.

nach Kapoor, A. et al., Railway Gazette Int. 1 (2002) 25–28; vgl. a. Zerbst et al., Engng. Fracture Mech. 76 (2009) 2563–2601.

Polak, J., Cyclic deformation, crack initiation, and low-cycle fatigue. In: Ritchie, R.O. & Murakami, Y. (Hg.): Comprehensive Structural Integrity; Band 4: Cyclic loading and Fracture; Elsevier, 2003, 1–39

Nach Miller, K.J., Fatigue Fracture Engng. Mat. Struct. 16 (1993) 931–939; modifiziert.

So gibt etwa Murakami, Y., Metal Fatigue, Elsevier, 2002; für einen 0,13 %-C-Stahl einen Wert von etwa 100 μm für die Arrestrisstiefe im Vergleich zu einer Korngröße von 34 μm an.

Hinsichtlich gängiger Korngrößenangaben ist eine gewisse Vorsicht geboten. Das Problem ist, dass in einem Schliff die meisten Körner nicht im Bereich ihrer maximalen Ausdehnung geschnitten werden.

Beretta, S. et al., Engng. Fracture Mech. 76 (2009) 1548–1561.

Miller, K.J. → Fußnote 10.

Murakami, Y., High and ultrahigh cycle fatigue. In: Ritchie, R.O. & Murakami, Y. Hg.): Comprehensive Structural Integrity; Band 4: Cyclic loading and Fracture; Elsevier, 2003, 129–164

Haibach, E., Betriebsfestigkeit, Springer, 2006, 3. Aufl., Abschn. 3.​2; Radaj, D. & Vormwald, M., Ermüdungsfestigkeit, Springer, 2007, 3. Aufl., Abschn. 5.​4

Übersichten zum Rissschließphänomen finden sich u. a. bei Suresh, S., Fatigue of metals, Cambridge University Press, 2003 sowie Tanaka, K. & Akinawa, Y., Modelling of fatigue crack growth: mechanistic models. In: Ritchie, R.O. & Murakami, Y. (Hg.). Comprehensive Structural Integrity; Band 4: Cyclic loading and Fracture; Elsevier, 165–89

Ding, F. et al., Int. J. Plast. 23 (2007) 1167–1188.

Das ist der Regelfall. Es gibt allerdings auch Fälle, bei denen die Rissspitzenbelastung mit der Rissgröße nicht zu- oder sogar abnimmt. Das ist dann der Fall, wenn der Riss in einen „Lastschatten“ hineinläuft (etwa in der Nähe von Versteifungen bei dünnwandigen Strukturen).

Dowling, N.E., ASTM STP 667 (1979) 247–273.

Vgl. z. B. Rösler et al., Mechanisches Verhalten der Werkstoffe, Teubner, 2006, 2. Aufl., Abschn. 10.2.1

Bild angelehnt an Kerlins, V. & Philips, M, Modes of fracture; In: ASM Handbook, ASM International, Band 12, Fractography, 1992.

Klinger, C. et al., BAM Berlin; s. a. Zerbst et al., Engng. Failure Anal. 55 (2015) 376–410.

Klinger, C. & Bettge, D., BAM Berlin; s. a. Zerbst et al. → Fußnote 23.

Murakami, Y. → Fußnote 15.

Hänninen, H.E., Stress corrosion cracking. In: Petit, J. & Scott, P.M. (Hg.): Comprehensive Structural Integrity; Band 6: Environmentally Assisted Fatigue; Elsevier, 2003, 1-30. Eine ausführliche Diskussion der Korrosionsmechanismen findet sich auch bei Janssen, M. et al., Fracture Mechanics, Spon Press, London & New York, 2004, 2. Aufl., Abschn. 12.8: Types of sustained load fracture.

Bhadeshia, H.K.D. H., Mechanisms and models for creep deformation and rupture. In: Saxena, A. (Hg.): Comprehensive Structural Integrity; Band 5: Creep and High Temperature Failure; Elsevier, 2003, 1–30. Allgemein geht man davon aus, dass Kriechmechanismen oberhalb 0,3–0,5 \(T_{m}\) (\(T_{m}\) = Schmelztemperatur auf der Kelvin-Skale) eine Rolle spielt; Janssen, M. et al. → Fußnote 26, Abschn. 12.8: Types of sustained load fracture.

Rösler et al. → Fußnote 21, Kap. 11: Kriechen.

Rösler et al. → Fußnote 21, Abschn. 3.​5.​1: Gleitbruch.

Rösler et al. → Fußnote 21, Abschn. 3.​5.​2: Spaltbruch.

Fotos: M. Schröder, Univ. Magdeburg.

Heerens, J. & Read, D.T., NIST Report 88–3099, National Institute for Standards and Technology, Boulder, CO, 1988.

Anderson, T.L., Fracture Mechanics. CRC Press, 1991, Abschn. 5.​2.​2