A2 Statische Ermüdung (feuchtigkeitsunterstütztes unterkritisches Risswachstum)

Thema

In Siliziumdioxid beschreibt dieses Modell das Phänomen des subkritischen Risswachstums infolge der Umgebungsfeuchte – bekannt als statische Ermüdung. Es nutzt dabei direkt das bereits in einem anderen Modell dieser Reihe etablierte Rahmenwerk, das statische Ermüdung und subkritisches Risswachstum in Keramiken beschreibt: Eine konstante Spannung, die auf einen Riss wirkt, führt zusammen mit einer reaktiven Umgebung zu subkritischem Risswachstum, ohne dass der Riss die Größe erreicht, die zu einem sofortigen Bruch führen würde. Da dieses Modell dieses Rahmenwerk direkt wiederverwendet, muss der Mechanismus, durch den konstante Spannung und die reaktive Umgebung das Risswachstum verursachen, nicht von Grund auf neu definiert werden.

In diesem spezifischen System fungiert die Umgebungsfeuchte als diese reaktive Umgebung und beschleunigt das subkritische Risswachstum in Siliziumdioxid. Dieses Wachstum folgt dem Potenzgesetz des Bereichs I, das bereits in dem anderen Modell dieser Reihe etabliert wurde. Eine geringe Erhöhung der Umgebungsfeuchte führt somit zu einer überproportionalen Steigerung der Rissausbreitungsgeschwindigkeit. Genau in diesem System beschrieb Wiederhorn 1967 erstmals dasselbe Phänomen der feuchtigkeitsinduzierten statischen Ermüdung.

Dieses potenzielle Gesetz des subkritischen Wachstums besitzt in diesem Modell jedoch keine feste Konstante: Die relative Luftfeuchtigkeit der Umgebung modifiziert empirisch die Konstante des subkritischen Wachstums. Höhere relative Luftfeuchtigkeit vergrößert diese Konstante, und der Riss wächst bei gleicher konstanter Spannung schneller; niedrigere relative Luftfeuchtigkeit verkleinert sie, und der Riss wächst unter gleicher Spannung langsamer.

Daher verwendet dieses Modell, bei dem das subkritische Risswachstum durch die Umgebungsfeuchtigkeit, mit der der Riss entstanden ist, begünstigt wird, direkt die gesamte Kette, die bereits von einem anderen Modell dieser Reihe etabliert wurde: Das subkritische Wachstum, beschleunigt durch die Umgebungsfeuchtigkeit und gemäß seiner eigenen Konstante durch die relative Luftfeuchtigkeit modifiziert, akkumuliert sich mit der Zeit, während die konstante Spannung weiterhin auf den Riss wirkt. Genau diese Akkumulation bestimmt die Zeit bis zum Bruch des Siliziumdioxids.

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