Rissausbreitung Erklärung einfach


Eine einfache Erklärung über die Rissausbreitung und Bruchmechanik bei schrumpfenden Materialien.

                Foto: Dirk Brunner; Lizenz: CC BY SA 3.0


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So einen alten Aufkleber mit Rissen oder ein kaputtes Verbund-Sicherheitsglas habe ich schon mal gesehen.

Ist Dir dabei was aufgefallen?

Nein.

Jetzt schau mal genauer hin. In welchem Winkel sind die Risse zueinander?


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Die sind ja immer fast senkrecht zueinander. Das ist interessant! Warum ist das so?

Betrachten wir zuerst einmal den Aufbau.


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Ein Material schrumpft, eines nicht. Der Aufkleber durch ausgasen des Kunststoffs (z.B. Weichmacher) und das Glas nicht. Beim Verbund-Sicherheitsglas schrumpft das vorgespannte Glas und die Kunststoffschicht nicht.

Aber warum dann dieser Winkel?

Schauen wir uns zunächst einen Riss näher an, welcher in Richtung Rand unterwegs ist.


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Schwarz ist der Rand. Der Riss ist rot eingezeichnet. Die feinen blauen Linien sind mögliche Wege zum Rand.

Und welchen Weg wird der Riss nehmen? Bitte ohne Berechnung, ich will es einfach und nicht kompliziert wissen und verstehen.

Gerne! Stelle Dir vor Du bist ganz klein und passt in das Ende des Risses. Quasi ein Rissmännchen.

Klappt das?

Moment.... ok jetzt.

Nun ziehst Du in unterschiedlichen Richtungen am Material.

Ok, und was soll ich dabei herausfinden?

Wenn Du in eine Richtung ziehst, die einen langen Weg zum Rand hat, kannst Du das Material leichter ziehen.

Stimmt, und warum?

Ganz einfach, es befindet sich mehr Material in diese Richtung. Und ein längeres Gummiseil lässt sich einfacher ein kleines Stückchen ziehen, als ein ganz kurzes.

Das leuchtet sogar mir ein... grins.

Wenn Du jetzt bedenkst, dass das Material durch das Schrumpfen am Rissende zieht, wird es dort zuerst einreißen, wo das Material an seine Belastungsgrenze kommt. Es reißt also immer dort ein, wo der Weg zum Rand am kürzesten ist. Da kann sich die größte Kraft aufbauen.

Aha, und der kürzeste Weg zum Rand verläuft immer senkrecht dazu.

Richtig!

Das war eine einfache Erklärung. Wie siehts mit einer komplizierten Erklärung mit Formeln und so aus?

Kein Problem. Die Kraft, welche Du auf ein Material z.B. einen Stab aufbringen kannst, lässt sich folgendermaßen ausrechnen.


Häh?

Ok. F ist die Kraft. E der sogenannte Elastizitätsmodul (oder E-Modul). Das ist ein Materialwert. Je größer, um so schwerer lässt sich das Material in die Länge ziehen.

Verstehe. Der E-Modul von Gummi ist also kleiner als der von Stahl – oder?

Richtig! A ist in der Formel der Querschnitt des Stabes und l_0 die Ursprungslänge. Wenn Du jetzt den Stab um ein kleines Stück, Delta l, in die Länge ziehen willst, brauchst Du eine gewisse Kraft.

Aha, das muss F sein.

Jup.

Und weiter?

Schaue Dir das Bild an.



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Ok.

F ist die Kraft. E und A betrachten wir als konstant. Du ziehst als kleines Rissmänchen immer um die gleiche Länge Delta L. Wann wird die Kraft am größten sein?

Hmmm... also wenn der Nenner klein ist, wird die Zahl groß.... also muss l_0 möglichst klein sein.

Genau. Und das ist der Fall, wenn Du auf kürzestem Weg zum Rand bist.

Da war doch was, genau! Dann verläuft der Riss senkrecht zum Rand.

Perfekt, Du hast es verstanden! In der Technik wird das ganze Thema unter Bruchmechanik behandelt.

Und warum läuft der Riss nicht immer senkrecht zum Rand?

Dafür gibt es viele Gründe. Meistens besitzt das Material ein paar Schwachstellen und dann ist der Riss eben dorthin unterwegs.

Aha, danke für die Erklärung.

Gerne und hier noch ein paar Bilder von ähnlichen Rissverläufen. Überlege selber, welches Material hier geschrumpft ist.



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Hier ein paar Risse am Boden eines Einkaufszentrums


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Sogenanntes Einscheiben-Sicherheitsglas (kurz ESG). Das ist vorgespanntes Glas


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Farbe an einer Fensterdichtung.


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Straßenmarkierung.


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Wachs auf einer Metallplatte.


Interessieren Dich noch andere Themen, die Dir keiner erklären konnte? Dann schreib an Dirk.