Versagensverhalten heterogener Materialien verstehen
Die Konzepte der Kontinuumsmechanik, die der aktuellen Theorie der Bruchmechanik zugrundeliegen, berücksichtigen die den Materialheterogenitäten zukommende zentrale Rolle nicht. Materialversagen ist jedoch die Folge der komplexen Wechselwirkung zwischen den im großen Maßstab wirkenden Spannungsbelastungen und der immer weiter fortschreitenden Beschädigung der Mikrostruktur des Materials im kleinen Maßstab. Im Rahmen des EU-finanzierten Projekts TOUGHBRIDGE (Bridging microstructural to macroscopic properties in failure of heterogeneous materials) bereicherten Wissenschaftler die Theorien der klassischen Bruchmechanik um Konzepte aus der statistischen Physik. Ihrem Ansatz gemäß erwächst das makroskopische Versagen aus der kollektiven Reaktion eines Schadensfelds, das sich auf Mikroebene durch das Material hindurch ausbreitet. Insbesondere wiesen die Forscher nach, dass dem Zusammenspiel zwischen den Störungen im Material und der Spannungsumverteilung nach dem Auftreten eines Schadensereignisses eine zentrale Rolle bei der Kontrolle der Defekteigenschaften von Feststoffen zukommt. Dieser Idee folgend konnten sie Modelle entwickeln, mit denen die Versagensreaktion von Materialien aus der Kenntnis von deren heterogenem Mikrogefüge abgeleitet werden konnte. Diese neuen theoretischen Konzepte wurden dank der rechnerischen und experimentellen Untersuchung von Defekten in heterogenen Feststoffen anhand einfacher und kontrollierter Mikrostrukturen entwickelt. Für ihre Experimente mussten die Wissenschaftler neue Versuchsaufbauten entwerfen und neue Mittel zur Beobachtung entwickeln, die ihnen die Nachverfolgung von Rissen in Materialien in kleiner Ausbreitung und im kleinen zeitlichen Rahmen gestatten. Sie wendeten eine statistische Behandlung der gesammelten Rohdaten an, die ihnen ein besseres Verständnis der Physik und Mechanik des Bruchs verschaffte. Zum Abschluss wurden die im Rahmen dieses Projekts zur Beschreibung des Übergangs zum Versagen in Materialien entwickelten neuen theoretischen Ansätze gegenübergestellt und im Vergleich zu den experimentellen Beobachtungen getestet. Insgesamt haben sich diese neuen Ansätze als wirkungsvoll in der Vorhersage des Versagensverhaltens und des Widerstands einer großen Auswahl an Materialien erwiesen. Tatsächlich konnten die Wissenschaftler sie bereits mit Erfolg bei der Schätzung der Defekteigenschaften von heterogenen spröden Materialien, die durch die Ausbreitung eines einzelnen Risses brechen, oder eines der quasi-spröden Materialien anwenden, die durch die Ausbreitung eines Ensembles von Mikrorissen brechen. Neben dem besseren Verständnis des Bruchs an sich führte die innerhalb des TOUGHBRIDGE-Projekts durchgeführte Arbeit zu neuen Weges der Konzipierung von Materialien mit verbesserten mechanischen Eigenschaften. Dieses "Failure-by-Design"-Konzept (konstruktionsbedingter Ausfall) fand bei der Fertigung heterogener Dünnschichten mit neuen Klebeeigenschaften Anwendung. Nächster Schritt ist der Entwurf härterer und leichterer heterogener Feststoffe, wobei die Vorteile der jüngsten Fortschritte in den 3D-Druckverfahren genutzt werden, welche die volle Kontrolle über die Materialarchitektur gestatten. Dieser neue Ansatz in Hinsicht auf die Realisierung von härteren Materialien eröffnet viele interessante Perspektiven hin zu technischen Anwendungen.
Schlüsselbegriffe
Bruch, heterogene Materialien, Mikrostruktur, Risse, spröde Feststoffe, quasi-spröde Feststoffe, TOUGHBRIDGE
