Verformung und Schädigung von Werkstoffen der Aufbau- und Verbindungstechnik

Ausfälle sind ein Phänomen, welches eng mit der technischen Entwicklung verbunden ist. Besonders bei der Einführung neuer Konstruktions- und Funktionsprinzipien oder bei Werkstoffsubstitutionen zur Gewichtseinsparung und Kostensenkung kommt es gehäuft zum Versagen bestimmter technischer Strukturen. In der Geschichte der Technik wurden diese Ausfallprobleme sehr oft durch eine iterative Weiterentwicklung überwunden, welche zum einen die Anwendung neuer Prinzipien oder Werkstoffe erlaubte, auf der anderen Seite jedoch einen hohen Grad der Zuverlässigkeit einer technischen Konstruktion gewährleistete. Die Zuverlässigkeit, d. h. die Aufrecherhaltung einer bestimmten technischen Funktion über einen definierten Zeitraum, war und ist ein die technische Entwicklung begrenzender Faktor. Aus diesem Grund ist die Beschäftigung mit Ausfällen und Versagen in technischen Strukturen ein wichtiger Baustein für die Konstruktion neuartiger technischer Anordnungen.

Bei Beschäftigung mit der Schädigung und der Verformung von Werkstoffen besteht das Bemühen, alle dazu notwendigen Betrachtungen nur auf einen bestimmten Werkstoff oder eine Werkstoffklasse zu richten, ohne dabei Bezug auf ein konkretes technisches Artefakt zu nehmen. Eine solche Methode der Betrachtung geht davon aus, dass die der Verformung und Schädigung zugrunde liegende Physik für eine bestimmte Werkstoffklasse, z. B. Metalle, gleich ist und sich folglich die für ein bestimmtes technisches Problem erarbeiteten Untersuchungsmethoden und Bewertungsverfahren auf ein anderes technisches Problem übertragen lassen, sofern bei diesem Werkstoffe der gleichen Klasse, d. h. Werkstoffe mit vergleichbarem qualitativen Verhalten, eingesetzt werden.

Die Komplexität und Vielfalt von Erscheinungen bei der Verformung von Werkstoffen wirft für deren Beschreibung folgendes grundsätzliche Problem auf. Geht man über die Beschreibung grundsätzlicher Verhaltensformen, wie elastisches Verhalten, Materialfließen oder Bruch, hinaus und kommt in den Bereich sehr spezieller Verhaltensformen, so treffen diese in einigen Fällen nur für die Beschreibung einer bestimmten Untergruppe von Werkstoffen zu, während sie für einen Großteil industriell eingesetzter Werkstoffe entweder keine bzw. nur eine geringe Bedeutung besitzen. Um zu verstehen, welche Gruppen von Werkstoffen welche Formen des Verformungsverhaltens aufweisen, ist es wichtig, sie in ihrem strukturellen Aufbau, d. h. ihrem Werkstoffgefüge, zu vergleichen. Der Schlüssel zu einem umfassenden und vertieften Verständnis des Verformungsverhaltens der Werkstoffe liegt in deren mikroskopischem Aufbau, d. h. dem Gefüge. Auf den Begriff des „Gefüges“, der in der unter dem Begriff „Microstructure“ in der englischsprachigen etwas abweichend von der deutschsprachigen Literatur behandelt wird und dem für das Verständnis des Verformungsverhaltens von Metallen besondere Bedeutung zukommt, soll später detaillierter eingegangen werden. Um den Begriff des Gefüges zunächst grob zu illustrieren, befindet sich in Abb. 3.1 und in Abb. 3.2 eine Zusammenstellung von rasterelektronenmikroskopischen Aufnahmen, welche das Gefüge der zweiphasigen Legierung des eutektischen SnPb-Lotes in verschiedenen Zustandsformen zeigen.

Um die charakteristischen makroskopisch beobachtbaren Erscheinungen bei der elastischen Verformung deutlich zu machen, wird der in Abb. 1.5 dargestellte Zugversuch geringfügig abgeändert (siehe Abb. 4.1). Die Beanspruchung, d. h. die Dehnungsänderung über der Zeit, wird dabei beginnend bei null (A) nur bis zu einem Wert gesteigert, welcher unterhalb der Grenze ε _F liegt (B), danach wird die Belastung wieder auf null abgesenkt (D).

Die plastische Verformung eines polykristallinen Metalls wird üblicherweise mit dem in Abb. 1.5 dargestellten Verformungsverhalten assoziiert, bei dem das Material nach dem Erreichen einer Fließspannung sich plastisch zu verformen beginnt und der Deformation nur noch einen geringen Widerstand entgegensetzt, während es sich unterhalb dieser Fließgrenze elastisch verformt und der Deformation einen hohen Widerstand entgegenbringt. Ein solches Verhalten existiert allerdings nur bei T= 0K.

Das Versagen einer mechanisch funktionellen Struktur zeigt sich phänomenologisch durch einen Bruch, welcher die jeweilige Struktur in mindestens zwei nicht mehr miteinander verbundene Bereiche teilt. Diese für einen (mechanischen) Ausfall charakteristische makroskopisch beobachtbare Erscheinung des Bruches ist allerdings nur der Endzustand, welchem üblicherweise eine weniger sichtbare kontinuierliche Schädigung des Werkstoffes vorausgeht. Bevor die physikalischen Einzelmechanismen dieser Schädigung als auch die Methoden ihrer Beurteilung bzw. Berechnung beschrieben werden, soll zuvor kurz auf den Zusammenhang zwischen den Ausfällen und der Zuverlässigkeit eines technischen Systems eingegangen werden, da es für die Einordnung der verschiedenen Konzepte zur theoretischen Analyse von Schädigungsvorgängen notwendig ist, zunächst die Beziehungen der einzelnen Termini untereinander deutlich zu machen und voneinander abzugrenzen.

„Die Versuchsanordnung wird einzig aus bekannten, in einer bestimmten Situation vorhandenen Methoden und Verfahren kombiniert. Während der Konfigurierung können jedoch praktische Unvollkommenheiten des Forschungspotentials den Problemlösungsprozeß aufhalten oder abbrechen. Unabhängig vom Experimentator wirkende (zufällige) Bedingungen oder solche, die bei der Konstruktion des Aufforderungssystems nicht bekannt waren, übersehen wurden, können einen Rückgriff zur Phase der Aufgabenstellung nötig machen und eine Umstrukturierung des Aufforderungssystems veranlassen. Das Experiment kann sogar jetzt undurchführbar werden und damit Unvermögen, ungelöste (methodenorientierte) Probleme nachweisen. Andererseits kann die praktische Konfigurierung der Versuchsanordnung über den raumzeitlichen und ökonomischen Aufwand zur Durchführung des Experiments entscheiden. Dem Auslassen dieses funktionalen Elements aus dem Verständnis des Begriffs Experiment kann daher nicht zugestimmt werden.“

Eine der Schwierigkeiten bei der Interpretation von Ergebnissen aus Verformungs- und Schädigungsversuchen besteht in der allgemeinen Neigung, experimentell gewonnenen Erkenntnissen einen hohen Grad an Objektivität zuzuschreiben. Hierbei wird sehr oft übersehen, dass diese Objektivität - bezogen auf ein einzelnes Experiment - vollkommen gerechtfertigt wäre, dass es jedoch für die Erfassung einer komplexen physikalischen Erscheinungsform, wie dem Verformungsverhalten von Werkstoffen, notwendig ist, ein aus vielen Einzelversuchen bestehendes System von Experimenten durchzuführen. Hierbei besteht aufgrund der großen Vielfalt möglicher Untersuchungsansätze das Bestreben, die Anzahl der Versuche auf wesentliche Experimente zu beschränken. Die Auswahl der durchzuführenden Experimente - dabei kann es sich z. B. um die Festlegung von Versuchstemperaturen oder bestimmten Lastkräften handeln - wird von einer bestimmten Erwartungshaltung beeinflusst, welche sich im günstigen Fall auf bestimmte theoretische Annahmen stützt, sich aber in vielen Fällen einfach aus willkürlichen Entscheidungen ergibt oder aber durch Grenzen der Prüftechnik bestimmt wird.

Wie Alan Howard Cottrell 1966 im Prolog zu seinem ein Jahr später erstmals herausgegebenen Grundlagenwerk „An Introduction to Metallurgy“ feststellte, weilt über der Metallurgie nach wie vor der Geist des Mystischen, sodass kein respektables Raumschiff in einem Science-Fiction-Roman ohne eine geheime Wunderlegierung auszukommen scheint [184]. Eine vergleichbare Situation bestand, als - ausgelöst durch Bestrebungen, das gesundheitsschädliche Element Blei nicht mehr in der industriellen Warenproduktion einzusetzen - um die Jahrtausendwende eine Ersatzlegierung für das in der Elektronikproduktion standardmäßig verwendete Zinn-Blei-Lot gefunden werden musste. Viele der frühzeitigen Forschungsbestrebungen resultierten aus empirischen Überlegungen, anstatt durch Nutzung metallphysikalischer Erkenntnisse bestimmte Lösungsansätze systematisch weiterzuverfolgen.