Forscher untersuchten Bruchverhalten von spröden Werkstoffen und erlebten eine Überraschung
Wie schnell bricht Glas? Gemeint ist in diesem Fall nicht die Zerbrechlichkeit, sondern die Geschwindigkeit, mit der sich Risse im Material ausbreiten. Das Wissen um Parameter wie die Rissausbreitungsgeschwindigkeit ist für Forscher wichtig, um das Bruchverhalten von spröden Werkstoffen vorhersagen zu können. Bisher beruhten die theoretischen Kenntnisse auf einer Maximalgeschwindigkeit, die der sogenannten Rayleigh-Geschwindigkeit entspricht: es ist das Tempo, von akustischen Oberflächenwellen im Material und beläuft sich auf rund 900 Meter pro Sekunde. Ein französisches Forscherteam konnte nun nachweisen, dass die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Mikrorissen viermal langsamer ist, als bisher angenommen.
Hunderte Millionen Mikrorisse pro Sekunde
Für ihre Untersuchungen zerbrachen die Forscher Plexiglas-Proben mit einem unterschiedlichen Kraftaufwand. Wie erwartet brachen die Proben schneller mit zunehmendem Kraftaufwand. Ab einer bestimmten Bruchgeschwindigkeit wird die Rissausbreitung von einer Vielzahl von Mikrorissen - die auf die winzigen Materialdefekte zurückzuführen sind, die im Material immer vorkommen - vor der Hauptrissfront begleitet. Pro Sekunde bilden sich Hunderte Millionen solcher Mikrorisse, was die Beobachtung eines einzelnen Risses in Echtzeit unmöglich macht. Jeder Mikroriss hinterlässt jedoch eine Spur auf den Bruchoberflächen, so dass diese im Anschluss von den Forschern analysiert werden können.
Die Forscher haben festgestellt, dass sich alle Mikrorisse mit der gleichen Geschwindigkeit von rund 200 Meter pro Sekunde ausbreiten und zwar unabhängig vom eingesetzten Kraftaufwand. Im Vergleich dazu erhöht sich auf mikroskopischer Ebene die Bruchgeschwindigkeit mit zunehmendem Kraftaufwand auf bis zu 500 Meter pro Sekunde. Solche Werte werden durch die Verschmelzung der Mikrorisse mit dem Hauptriss erreicht. Diese Ergebnisse widerlegen die bislang vorherrschende Theorie, das die zusätzliche Energiedissipation bei der Entstehung von Mikrorissen den Bruch des Bauteils verlangsamen würde.
Somit konnten die Forscher den Einfluss mikroskopischer Defekte in einem Material auf dessen Bruchverhalten nachweisen. Diese Ergebnisse ebnen neue Wege zur Verbesserung von Materialeigenschaften wie beispielsweise die Bruchfestigkeit. (red)
