Spannungsintensitätsfaktor

Der Spannungsintensitätsfaktor (kurz SIF oder K-Faktor) $K$ ist ein Maß für die Intensität des Spannungsfeldes in der Nähe einer Rissspitze. Er ist eine skalare Größe, die von der äußeren Belastung sowie von der Geometrie des Risses und des Bauteils abhängt. Vom Wert des Spannungsintensitätsfaktors hängt das weitere Risswachstum ab.

Derjenige Spannungsintensitätsfaktor, bei dem es zur Rissinitiierung und schließlich zum Gewaltbruch kommt, ist der kritische Spannungsintensitätsfaktor $K_{\mathrm {C} }$. Dieser Werkstoffkennwert wird auch als Riss- oder Bruchzähigkeit bezeichnet.

Rissöffnungsarten

Im Allgemeinen werden drei Rissöffnungsarten (Rissöffnungsmodi) unterschieden, denen jeweils ein Spannungsintensitätsfaktor zugeordnet ist:

• Der Index $\mathrm {I}$ charakterisiert die Rissöffnung senkrecht zur Rissfläche (engl. opening mode). Dieser Rissöffnungsmodus hat die größte Bedeutung in der Praxis.

Mit Hilfe des Parameters $K_{\mathrm {I} }$ kann das vollständige Spannungsfeld an der Spitze des nach Modus $\mathrm {I}$ beanspruchten Risses charakterisiert werden:

$K_{\mathrm {I} }=\sigma \cdot {\sqrt {\pi \cdot a}}\cdot f.$

Darin beschreibt

• $\sigma$ die Spannung im Bauteilquerschnitt ohne Risse (Nennspannung)
• a die Risslänge
• f bzw. Y einen Korrekturfaktor, der von der Risslänge, von der Bauteilgeometrie und von der Belastungssituation abhängt.

Für $K_{\mathrm {I} }$ wird die Maßeinheit ${\frac {\mathrm {N} }{\sqrt {\mathrm {mm} ^{3}}}}$ oder $\mathrm {MPa} \cdot {\sqrt {\mathrm {m} }}$ verwendet.

• Die Öffnungsarten $\mathrm {II}$ und $\mathrm {III}$ beschreiben Längs- (sliding mode) bzw. Querscherung (tearing mode).

Literatur

• Hans Albert Richard, Manuela Sander: Ermüdungsrisse erkennen, sicher beurteilen, vermeiden. Vieweg + Teubner Verlag, Wiesbaden 2009, ISBN 978-3-8348-0292-7.
• Hans-Jürgen Bargel, Hermann Hilbrans, Günter Schulze, Karl-Heinz Hübner, Oswald Krüger: Werkstoffkunde. 9. bearbeitete Auflage, Springer Verlag, Berlin / Heidelberg 2005, ISBN 978-3-540-29250-0.
• H.-P. Rossmanith (Hrsg.): Grundlagen der Bruchmechanik. Springer Verlag, Wien / New York 1982, ISBN 978-3-7091-8648-0.

Weblinks

• Grundlagen der Bruchmechanik, Universität Siegen
• Bruchmechanische Charakterisierung von Luftfahrtlegierungen unter realitätsnahen Beanspruchungen, RWTH Aachen
• Plastizität und Bruchmechanik, Universität Kiel
• Mikrostrukturelle Aspekte der Rissinitiierung und -ausbreitung in metallischen Werkstoffen
• Lastverformungsverhalten und Rissbildung an Scheiben, ETH Zürich