Aktuelles

Theorie eingefrorener Spannungen in amorphen Materialien



Theorie eingefrorener Spannungen in amorphen Materialien

"Bologneser Tränen", schnell abgekühlte Glastropfen (Bild:wikipedia), verdeutlichen die enorme Wirkung von eingefroreren Spannungen, die durch spannungsinduzierte Doppelbrechung sichtbar gemacht werden.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Aus der Schmelze erstarrte Festkörper enthalten oft eingefrorene Spannungen, die entscheidenden Einfluß auf die Materialeigenschaften haben. Sie werden zum Beispiel genutzt, um die Glasoberflächen moderner Smartphones kratzfest und stabil zu machen. In einer Kombination von Theorie, Computer-Simulation und Experimenten an Modellsystemen ist es einer Kooperation rund um das Institut für Materialphysik im Weltraum des DLR gelungen, fundamentale Mechanismen der Entstehung solcher vorgeschichtsabhängiger Spannungen
aufzudecken.
Eingefrorene Spannungen (residual stresses) entstehen, wenn Festkörper rasch aus der Schmelze erstarrt werden. Ein bekanntes Beispiel sind die sogenannten "Bologneser Tränen", kleine Glastropfen, in denen durch schnelle Abkühlung an der Oberfläche das Innere des Tropfens unter hoher Vorspannung steht. Diese Glastropfen sind erstaunlich stabil und halten
sogar einen Hammerschlag aus. Die kleinste Beschädigung ihres dünnen Endes stört jedoch das Netzwerk der eingefrorenen inneren Spannungen, und die Tropfen zerstören sich explosionsartig. Eingeforerne Spannungen finden sich auch in Plexiglas und ähnlichen Materialien, zum Beispiel den im Institut für die Teilchen granularer Modellsysteme verwendeten spannungs-doppelbrechenden Materialien.

Trotz Anwendungen etwa im großen Markt der Smartphones und Tablet-Computer sind die mikroskopischen Ursachen solcher Spannungen noch weitgehend unverstanden. Die Theorie- und Simulations-Gruppe des Instituts für Materialphysik im Weltraum hat deshalb in Zusammenarbeit mit Theorie-, Simulations- und experimentellen Gruppen in Konstanz, Düsseldorf, Berlin, und Kreta die entstehung vorgeschichtsabhängiger eingefrorener Spannungen an kolloidalen Modellsystemen und im Computer untersucht.


Dazu wurden zunächst dichte Flüssigkeiten und Gläser unter gleichmäßiger Scherung aufgeschmolzen, und so im System eine innere Spannung erzeugt.
Deren Zerfall wurde dann nach dem Ausschalten der Scherströmung beobachtet. Während in der Flüssigkeit - wie von bisher bestehenden Theorien erwartet -
die Spannungen nach einer gewissen Zeit vollständig abgebaut sind, so bleiben im Glas je nach Geschwindigkeit der vorherigen Scherung eingefrorene
Spannungen übrig.

Im Rahmen der Modenkopplungstheorie konnten die relevanten Mechanismen dieser unvollständigen Relaxation qualitativ verstanden werden. Die Theorie
beschreibt, wie Strömungen die innere Struktur des amorphen Systems deformieren. Das Glas kann seine mikroskopische Struktur
selbst nach Ausschalten der Strömung nicht mehr vollständig wiederherstellen, deshalb also die auftretenden Spannungen nicht vollständig abbauen.
Die Analyse ist nun in der Fachzeitschrift Physical Review Letters publiziert worden.

Originalveröffentlichung:
M. Ballauff et al, "Residual Stresses in Glasses", Physical Review Letters 110, 215701 (2013). http://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.110.215701

Ein Link zu einer Pressemitteilung des Helmholtz-Zentrum Berlin: http://www.helmholtz-berlin.de/pubbin/news_seite?nid=13727&sprache=de&typoid=1


URL dieses Artikels
http://www.dlr.de/mp/desktopdefault.aspx/tabid-1620/6111_read-36860/