Vorhersage von Materialversagen möglich

An der Ruhr-Universität Bochum wurde jetzt eine Theorie entwickelt, die ein erster Schritt hin zu einem Modell ist, mit dem man das Verhalten und Versagen von Metallbauteilen unter Belastung verstehen und berechnen kann.

Bochum, 26.01.1999
Nr. 20

Bevor der Zug entgleist ...
Vorhersage von Materialversagen möglich
RUB-Ingenieur: Neues Modell vermeidet Belastungssituationen

Flugzeugabstürze, Eisenbahnunglücke und ähnliche Katastrophen werden immer wieder von Materialermüdung verursacht. An der RUB wurde jetzt eine Theorie entwickelt, die ein erster Schritt hin zu einem Modell ist, mit dem man das Verhalten und Versagen von Metallbauteilen unter Belastung verstehen und berechnen kann. In seiner mit dem "Preis für Studierende 1998" der RUB als beste Arbeit aus der Fakultät für Maschinenbau ausgezeichneten Diplomarbeit "Über die Lokalisation von Scherbändern in duktilen Einkristallen" hat Dipl.-Ing. Henning Schütte die Auswirkungen von hohen Belastungen auf die kristalline Struktur von Metallen untersucht. Die Arbeit von Dipl.-Ing. Schütte wurde am Lehrstuhl für Allgemeine Mechanik (Leiter: Prof. Dr.-Ing. Helmut Stumpf) betreut.

Einkristalle für Vorhersagen nützlich

Metalle bestehen normalerweise aus einer Vielzahl von Kristallkörnern. Darüber hinaus gibt es Bauteile, die nur aus einem einzelnen Kristall bestehen, dem Einkristall. Die Wissenschaft benutzt diese Einkristalle, um Modelle über das Verhalten und Versagen von Kristallen unter Belastung zu erstellen. So gewinnt sie neue Erklärungen für das Versagen von Material oder gesamten Bauteilen. Diese Erkenntnisse sollen helfen, Katastrophen zu vermeiden.

Von der Verformung zum Riß

Dipl.-Ing. Schütte hat zunächst ein mathematisches Modell für das Verhalten von Einkristallen entwickelt, das im Vergleich zu Vorgängermodellen mit weniger Annahmen auskommt. Anhand dieses Modells berechnete er das Verhalten und Versagen des Einkristalls im Zugversuch: Belastungen hält der Einkristall aufgrund seiner Elastizität bis zu einem gewissen Grad aus. Überschreitet die Belastung diese Grenze, verändert sich die Gitterstruktur des Kristalls nachhaltig. Diese plastischen Veränderungen kalkulieren Ingenieure bei der Planung von Bauteilen in einem gewissen Ausmaß als Sicherheitsreserve ein. Bei Überschreitung einer weiteren Belastungsgrenze können Verformungen als dünne Bänder, als sogenannte Scherbänder, an bestimmten Stellen entstehen. Weitere Belastungen verteilen sich nicht mehr gleichmäßig auf den gesamten Kristall, sondern konzentrieren sich auf die Scherbänder, die sich zu Rissen und damit dem Versagen des Kristalls auswachsen können. Da Metalle in ihrem Verhalten den Einkristallen ähneln, können aufgrund des Modells Belastungssituationen vermieden werden, die zu Scherbandbildung und zu Materialermüdung führen.

Quellenangabe

Die Ergebnisse der Diplomarbeit wurden von Le Khanh Chau, Henning Schütte und Helmut Stumpf im "International Journal of Plasticity", Vol. 14 (1998) veröffentlicht. Schütte arbeitet derzeit an seiner Dissertation, die sich mit der Entstehung und Ausbreitung von Rissen in geschädigtem Material beschäftigt.

Weitere Informationen

Dipl.-Ing. Henning Schütte, Fakultät für Bauingenieurwesen, Lehrstuhl für Technische Mechanik, 44780 Bochum, Tel: 0234/700 3078, Fax: 0234/7094 229.

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