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Modellsysteme zur Untersuchung von Materialermüdung



Modellsysteme zur Untersuchung von Materialermüdung

In einer Zusammenarbeit mit dem Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie (HZB) konnten Experimente an Modellkolloiden und deren theoretische Analyse neue Einblicke in die schleichende Deformation amorpher Festkörper liefern.

Die Vermeidung von Materialermüdung ist eine zentrale Herausforderung in Anwendungen, sei es bei der Entwicklung neuer Werkstoffe für den Flugzeugbau oder bei der Konstruktion von Brücken. Langsame, stetige Deformationen, die bei Belastung auftreten, sind die Ursache des sogenannten Kriechens. Die Vorhersage und Beschreibung von kriechenden Verformungen ist nach wie vor schwierig. Sie beinhaltet stark nichtlineare Prozesse, die bislang theoretisch nur unzureichend verstanden sind.

Jüngste Experimente an kolloidalen Modellsystemen, die von Dr. Miriam Siebenbürger in der Gruppe von Prof. Matthias Ballauff am Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie (HZB) durchgeführt wurden, haben aufgezeigt, dass zahlreiche universelle Charakteristiken der nichtlinearen Verformung amorpher Festkörper sowohl in traditioneller kondensierter Materie als auch in kolloidaler weicher Materie ähnlich sind. Dies erlaubt es, die mikroskopischen Prozesse hinter dem makroskopisch beobachteten Kriechverhalten wesentlich detaillierter zu untersuchen - gewissermaßen vergrößert und in Zeitlupe.

Ein theoretisches Modell, das am Institut für Materialphysik im Weltraum des DLR entwickelt wurde, beschreibt qualitativ die verschiedenen Phasen der nichtlinearen Verformung, vom Kriechen bis hin zum letztlichen Versagen des Festkörpers. Das Modell und die Analyse der Meßdaten sind vor kurzem in der Fachzeitschrift Physical Review Letters publiziert worden.

Weitere Forschungsarbeit wird die mikroskopischen Prozesse und die Gültigkeitsbereiche von seit mehr als einem Jahrhundert verwendeten empirischen Kriechgesetzen näher untersuchen.

Originalveröffentlichung:

M. Siebenbürger, M. Ballauff, and Th. Voigtmann, "Creep in colloidal glasses", Physical Review Letters 108, 255701(2012).http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.108.255701

Bildunterschrift:

Zeitabhängige Verformung (oben) und Verformungsrate (unten) eines kolloidalen Modellsystems im Kriechexperiment unter konstanter Scherspannungs-Belastung. Die verschiedenfarbigen Kurven entsprechen verschiedenen Kolloiddichten; für jede Dichte sind Meßergebnisse an kolloidalen Gläsern mit unterschiedlicher Präparations-Vorgeschichte gezeigt.


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