4. Rissentwicklung

Der bei der Abkühlung aus der SChmelze erstarrende Stahl bildet Kristalle, auch Körner genannt (Bild 4.1)


Bild 4.1 Körner schematisch und in REM-Aufnahme

Die Risseinleitung erfolt ausschließlich im Mikrobereich. I.a. bilden sich Gleitbänder in den Ebenen maximaler Schubspannungen. Die daran anschließende Rissausbreitung tritt ein etwa ab einer Risslänge gleich der Korngröße, die sog, Mikrorisse (ca. 1/1000 mm) vereinigen sich dann zu Hauptrissen imn der Größenordnung von etwa 1/100 mm. An die Hauptrissbildung schließt sich damnn die Bildung des sog. Makrorisses an, der ibereist mit bloßem Augre gesehen werden kann (Größe > 1/2 mm). Siolange der Riss nur bei einem Lastwechsel wächst, aber noch nicht die kritische Risslänge erreicht hat, liegt stabiles Risswachstum vor, Vgl. dazu Abs. 5.5. Im folgenden Bild 4.2 ist die Zunahme der Rissgröße über die Phasen bildlich dargestellt:

Gleitbänder Mikrorisse Hauptrisse Makroriss

Bild 4.2 Rissentwicklung

Global gesehen spielt sich die Rissentwicklung etwa wie folgt ab, vgl. Bild 4.3. Der Bruch trat an der Welle eines Verdichters auf, siehe Verdichterwelle. An einer Kerbstelle (Bereich 1) hier wohl ein Schweißpunkt, startet der Anriss und läuft dann langsam durch den Querschnitt. Wenn die Ermüdungsbelastung unterbrochen wird, bildet sich eine sog. Rastlinie ("wer rastet der rostet") (Bereich 2). Man erkennt, dass der Abstand der Rastlinien nach links immer größer wird, d.h. der Riss wächst immer schneller, weil die tragende Restquerschnittsfläche immer kleiner wird, die risstreibenden Spannungen werden also immer größer. Wenn der Querschnitt soweit gerissen ist, dass der Restquerschnitt nicht mehr in der Lage ist, die Beanspruchung zu tragen, tritt ein Gewaltbruch auf, immer zu erkennen an der Bildung von Kratern und Hügeln mit ca. 45° Neidung (Ebene der maxiamlen Schubspannungen) (Bereich 3). Ein solches Versagensbild findet man in der Regel bei allen Ermüdungsbrüchen.


Bild 4.3 Rissentwicklung global

Kritisch wird es, wenn siogar plastische Verformungen auftreten, dann ist mit einem Bruch bei wenigen Lastwechseln zu rechnben (vgl. Büroklammer, die plastisch zyklisch verformt wird, Bruch nach vielelicht 10 Lastwechseln. Solche plastischen, lokalen Beanspruchungen können sogar bei einsinniger, alternierender Beanspruchung auftreten. Es bilden sich dabei Eigenspannungen, vgl. Bilder 4.4a bis 4.4f.
In Bild 4.4.a ist die Ausgangssituation dargestellt. Das System wird hier, aus Gründen der einfachen Anschauung durch zwei Außenfedern dargestellt, die die stützende Wirkung des umgebenden Systems erfassen sollen. Die hier interessierende Faser unter der hohen Belastung ist durch eine Feder in Reihenschaltung mit einer Rutschkupplung dargestellt. Die Feder beschreibt die elastischen, die Rutschkupplung die plastischen Verformungen.
Wenn dem System eine Verschiebung aufgeprägt wird, verlängern sich zunächst die Federn, die Rutschkupplung sei noch unterhalb der Rutschlast beansprucht. Die zugehörige Spannungs-Dehnungslinie ist daneben gezeichnet. Man erkennt, dass eine rein elstische Verformung (in den Federn) auftritt.


Bild 4.4.a - b

Wenn die äußere Verschiebung weiter anwächst, erreiche die Rutschkupplung ihre Rutschlast (Bild 4.4.c, die Faser fließt). Man kann das System bei konstanter Kraft beliebig auseinanderziehen, die Kraft ändert sich nicht, da die Federlängung konstant bleibt, nur die Rutschkupplung rutscht. Im Spannungsdehnmungs-Diagramm erkennt man, wie die Verschiebung bei konstanter Kraft anwächst. Wenn die äußeren Systremfedern wirken, hat die Fließkurve ein leichte Neigung. Unms interessiert aber nur die untersuichte Faser.
Wenn jetzt eine Änderung der aufgezungenen Verschiebunsgrichtung vorgenommen wird, das System wird nicht weiter gezogen, sondern ab jetzt gedrückt. Es werden zunächst wieder die vorher gelängten Federn gedrückt. Dies solange bis die Federkraft der mittleren Faserfeder so groß wird, dass die Rutschlast in der Gegenrichtung überschritten wird. Im Spannungs-Dehnungs-Diagramm bedeutet dies eine Verformung, beginnend am Punkt der erreichten Rutschlast, mit der Federsteifigkeit in Gegenrichtung, also parallel zur Ausgangssteigung.


Bild 4.4.c - d

Wenn nun bei der Stauchung die Rutschkupplungslast erreicht ist, beginnt die Rutschkupplung anzusprechen und das System lässt sich bei konstanter Kraft wieder beliebig zusammenschieben.


Bild 4.4.e-f

Im Spannungs-Dehnungsdiagramm tritt eine horizontale Linie auf. Wenn das System wieder auf die Ausgangslänge zusammengeschoben wird, wird die Dehnung im Ausgangszustand wieder zu Null.
Man erkennt, dass trotz der Ausgangs-Zugbeanspruchung eine Druckeigenspannung entstanden ist, die sogar zu einem Druckfließen geführt hat. Wir haben also trotz einsinniger Belastung Plastizieren sowohl im Zug- als auch im Druckbereich erhalten, d.h. alternierendes Plastizieren. Dies führt zu einem Bruch nach relativ wenigen Lastwechseln (vgl. Beispiel Büroklammer).
Es ist also immer Vorsicht geboten, wenn hohe Spannungsspitzen auftreten, da diese rasch die Streckgrenze erreichen, wodurch der dargelegte Mechanismus ausgelöst wird. Ein Beispiel ist in Bild 4.5 dargestellt.


Bild 4.5 Alternierendes Plastizieren am Lochrand trotz einsinniger Belastung

Der Effekt wird noch dadurch verstärkt, da Plastizieren bereits vor Erreichen der gegenüber liegenden Streckgrenze auftritt. Das ist bedingt durch den sog.. Bauschinger-Effekt. Die Spannungs-Dehnungskurven sehen dabei etwa, wie folgt, aus (Bild 4.6):


Bild 4.6. Spannungs-Dehnungs-Diagramm mit Bauschinger-Effekt