A5 Eigenspannung und spontaner Bruch (NiS-Einschlüsse)

Thema

Ein Nickelsulfid-Einschluss, der seit der Herstellung in diesem gehärteten Glas eingeschlossen ist, durchläuft mit der Zeit eine Phasenumwandlung von der Alpha- in die Beta-Form. Diese Alpha-Form, in der der Einschluss während der Glasherstellung eingeschlossen wird, ist bei Raumtemperatur metastabil. Daher wandelt er sich im Laufe der Zeit – Monate oder sogar Jahre – in die Beta-Form um, die bei derselben Temperatur stabil ist. Die Tatsache, dass diese Umwandlung so lange dauert, ermöglicht es dem in diesem Modell beschriebenen Bruch, verzögert aufzutreten, lange nachdem das gehärtete Glas bereits eingebaut und in Betrieb genommen wurde.

Die Umwandlung des Nickelsulfid-Einschlusses von der Alpha- in die Beta-Form führt zu einer Ausdehnung des Einschlusses. Die Beta-Form hat ein größeres spezifisches Volumen als die Alpha-Form, und da der Einschluss starr vom Glas umschlossen ist, kann diese Ausdehnung nicht ungehindert erfolgen. Die Ausdehnung eines Einschlusses im umgebenden starren Glas erzeugt ein lokales Spannungsfeld um ihn herum, wie es in Eshelbys Theorie für einen Einschluss mit Volumenänderung in einer elastischen Matrix beschrieben wird.

Die Tatsache, dass diese Ausdehnung innerhalb der Kernspannungszone des gehärteten Glases stattfindet – wie bereits in einem anderen Modell dieses Satzes, dem Modell zur Beschreibung des Härteprozesses, festgestellt – kann das Kriterium des Spontanbruchs auslösen: Die durch den sich ausdehnenden Einschluss erzeugte zusätzliche Spannung addiert sich zu der bereits in dieser Kernzone vorhandenen Zugspannung, die durch den Härteprozess selbst entsteht. Überschreitet die Summe dieser beiden Spannungen die Spannungsfestigkeit des Glases, bricht das Glas spontan, ohne dass äußere Belastung einwirkt. Daher hängt dieses Modell mit dem Nickelsulfid-Einschluss, mit dem es geöffnet wurde, direkt von einem anderen Modell dieses Satzes ab, dem Modell, das die Kernspannungszone des gehärteten Glases festlegt: Die Existenz dieser Kernspannungszone ist die notwendige Bedingung dafür, dass die Ausdehnung eines Einschlusses genau an der Stelle, an der er eingeschlossen ist, das in diesem Modell beschriebene Kriterium des Spontanbruchs erfüllt. Da die Position des Einschlusses im Glas in der Praxis nicht vorhersehbar ist, sind auch Zeitpunkt und Ort des Spontanbruchs, falls er auftritt, unvorhersehbar.

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