D33 Fraktographieanalyse

Thema

Die Fraktographie untersucht die Spuren, die ein Bruch auf der Oberfläche eines Materials hinterlässt. Anhand dieser Spuren lassen sich sowohl der Mechanismus der Rissausbreitung als auch die inhärenten Brucheigenschaften des Materials rekonstruieren, ohne den Bruch selbst beobachtet haben zu müssen.

Auf der Cuticula des Exoskeletts hinterlässt dieser Bruch drei deutlich unterscheidbare Zonen, die nacheinander beim Fortschreiten des Risses auftreten: Nahe dem Rissursprung erscheint eine spiegelglatte, glänzende Zone, die einer noch stabilen Ausbreitung entspricht; weiter entfernt vom Ursprung erscheint eine etwas rauere, trübe Zone, in der sich der Riss in sekundäre Mikrorisse aufspaltet; und noch weiter entfernt erscheint eine raue und unregelmäßige Zone, die sogenannte Hackle-Zone. Hier führt die sehr hohe Rissausbreitungsgeschwindigkeit zu einer deutlich unregelmäßigeren Bruchfläche als in den vorherigen Zonen, was einer vollständig instabilen Ausbreitung entspricht.

Die Größe dieser Nebelzone ist nicht willkürlich: Je weniger Energie zum Brechen des Materials benötigt wird, desto größer ist der Radius dieser Nebelzone. Diese Beziehung ermöglicht die Abschätzung der Bruchzähigkeit der Kutikula, ohne dass eine Probe mit einem bereits vorhandenen Anfangsriss präpariert werden muss, wie es bei der klassischen Griffith-Irwin-Methode erforderlich ist. Stattdessen ermittelt diese Methode die gleiche Zähigkeit aus der Risslänge im exakten Bruchmoment und der zu diesem Zeitpunkt erreichten Zugspannung.

Zusätzlich zu diesen Informationen über die Größe der Zonen unterliegt der Riss selbst bei seiner Ausbreitung durch die Kutikula einer physikalischen Geschwindigkeitsbegrenzung: Er kann sich nicht schneller als mit etwa 92 % der Rayleigh-Wellengeschwindigkeit des Materials ausbreiten. Diese Geschwindigkeit hängt vom Schermodul und der Dichte des Materials ab, durch das sich die Welle ausbreitet. Sobald der Riss diese Geschwindigkeitsbegrenzung erreicht, bewirkt das Yoffe-Kriterium, dass er seine geradlinige Ausbreitung stoppt und sich stattdessen in zwei Äste aufteilt, die sich jeweils in einem Winkel von etwa 60 Grad zur ursprünglichen Ausbreitungsrichtung öffnen.

Diese Aufspaltung des Risses ist kein bloßer Nebeneffekt: Sie erfordert zusätzliche Energie, die in die Bildung der beiden neuen Bruchflächen investiert werden muss, die sich an jedem Zweig öffnen. Diese zusätzliche Energiedissipation ist genau der Schlüsselmechanismus, den biologische Materialien, einschließlich der Insektenkutikula, nutzen, um zu verhindern, dass sich ein Riss katastrophal durch die gesamte Struktur ausbreitet.

In der geschichteten Kutikula, die aus übereinander gestapelten Schichten besteht, wobei die Orientierung ihrer Chitinfasern von Schicht zu Schicht gedreht ist, wirken die Grenzflächen zwischen diesen Schichten wie regelrechte Rissfallen: Sobald der Riss eine dieser Grenzflächen erreicht, muss er seine Ausbreitungsebene ändern, um weiter fortzuschreiten. Diese Änderung der Ausbreitungsebene erfordert an jeder Grenzfläche zusätzliche Energie – Energie, die zu der bereits zur Bildung der Bruchfläche benötigten Energie hinzukommt.

Alle diese Größen der Kutikulafraktur – Zähigkeit, Materialsteifigkeit und die für jeden Bifurkations- oder Stoppmechanismus benötigte Energie – werden letztendlich in einem einzigen Sprödigkeitsindex zusammengefasst, der die Zähigkeit und Steifigkeit des Materials auf einer einzigen charakteristischen Längenskala kombiniert: Je niedriger dieser Sprödigkeitsindex ist, desto spröder ist das Material, und dieser Index ermöglicht es, die Exoskelett-Kutikula, abhängig von der Region und Art des analysierten Bruchs, an einem bestimmten Punkt im Übergang zwischen sprödem und duktilem Verhalten zu verorten.

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