Was sind die Unterschiede zwischen hochzyklischer und niederzyklischer Ermüdung?

Materialermüdung bezieht sich auf den Verschleiß eines Materials, der durch wiederholte Belastungen verursacht wird und im Laufe der Zeit zu strukturellem Versagen oder Rissen führen kann. Der Unterschied zwischen hochzyklischer und niederzyklischer Ermüdung ist entscheidend, um zu verstehen, wie sich Materialien unter verschiedenen Spannungsbedingungen verhalten.

Was ist hochzyklische Ermüdung (HCF)?

Hochzyklische Ermüdung tritt auf, wenn Materialien Spannungen ausgesetzt werden, die deutlich unter ihrer Streckgrenze liegen, bei einer hohen Anzahl von Zyklen. Das Versagen tritt typischerweise nach Millionen von Zyklen auf, da mikroskopische Risse im Laufe der Zeit fortschreiten. Der Schwerpunkt bei der HCF liegt auf der Ausdauer von Materialien unter relativ niedrigen Spannungsniveaus, aber für eine sehr hohe Anzahl von Zyklen. Es ist oft mit elastischer Verformung verbunden, was bedeutet, dass das Material vor dem Versagen keine (signifikante) bleibende Verformung erfährt.

• Definition: HCF wird identifiziert, wenn die Ermüdungslebensdauer eines Bauteils eine große Anzahl von Zyklen umfasst, typischerweise 10⁵ Zyklen oder mehr.
• Spannung und Verformung: Es handelt sich um niedrigere Spannungsniveaus, die in der Regel unterhalb der Streckgrenze des Materials liegen, was einem elastischen Verhalten auf makroskopischer Ebene entspricht. Das Material erfährt während der Belastungszyklen keine bleibende Verformung.
• Zyklusanzahl: Die hohe Anzahl von Zyklen bis zum Versagen spiegelt die niedrigeren Spannungsniveaus wider, die mehr Zyklen erfordern, um einen Riss zu initiieren und zum Versagen zu führen.
• Anwendungen und Analyse: HCF ist relevant in Situationen, in denen ein Bauteil vielen Zyklen relativ niedriger Spannungen ausgesetzt ist, wie Teile in rotierenden Maschinen oder Strukturen, die Vibrationen ausgesetzt sind. Die Spannung–Lebensdauer-Methode (S–N) wird häufig verwendet, um die Lebensdauer von Bauteilen unter HCF-Bedingungen vorherzusagen, indem der Spannungsbereich gegen die Anzahl der Zyklen bis zum Versagen aufgetragen wird.
• Materialkurve: Zur Vorhersage der hochzyklischen Ermüdung wird eine S–N-Kurve verwendet. Die S–N-Kurve, auch bekannt als Wöhler-Kurve, stellt grafisch die Beziehung zwischen dem auf ein Material angewendeten Spannungsbereich und der Anzahl der Zyklen bis zum Versagen dar. Die vertikale Achse der S–N-Kurve stellt den angewendeten Spannungsbereich dar. Die horizontale Achse stellt die Anzahl der Zyklen bis zum Versagen dar. Die S–N-Kurve wird allgemein in einem log–log-Diagramm dargestellt (siehe Abbildung 1 unten).

Was ist niederzyklische Ermüdung (LCF)?

LCF tritt auf, wenn Materialien höheren Spannungen ausgesetzt werden, die typischerweise die Streckgrenze überschreiten, bei einer geringeren Anzahl von Zyklen. Dies kann innerhalb von Tausenden oder sogar nur Hunderten von Zyklen zum strukturellen Versagen führen. LCF ist durch signifikante plastische Verformung gekennzeichnet, bei der das Material vor dem Bruch bleibende Formänderungen erfährt.

• Definition: LCF tritt auf, wenn Materialien Belastungen mit hohen Amplituden ausgesetzt werden, was zu Ermüdungslebensdauern von bis zu etwa 10⁴ Zyklen führt.
• Spannung und Verformung: Dieser Zustand ist durch höhere Spannungsniveaus gekennzeichnet, die oft in der Nähe oder über der Streckgrenze des Materials liegen, was zu makroskopischer plastischer Verformung während jedes Zyklus führt. Dies bedeutet, dass das Material bleibende Formänderungen erfährt, die auf makroskopischer Ebene sichtbar sind.
• Zyklusanzahl: Aufgrund der höheren Spannung und der resultierenden plastischen Verformung ist die Anzahl der Zyklen bis zum Versagen relativ gering.
• Anwendungen und Analyse: LCF ist in Szenarien von Bedeutung, in denen Bauteile schweren Spannungsbedingungen ausgesetzt sind, die plastische Verformung verursachen, wie z.B. Motorteile unter thermischer Belastung. Die Dehnung–Lebensdauer-Methode (E–N oder ε–N) wird typischerweise zur LCF-Analyse verwendet, wobei sowohl die elastischen als auch die plastischen Dehnungskomponenten berücksichtigt werden, um die Ermüdungslebensdauer abzuschätzen.
• Materialkurve: Zur Vorhersage der niederzyklischen Ermüdung wird eine E–N- oder ε–N-Kurve verwendet. Die ε–N-Kurve, auch bekannt als Gesamtdehnung–Lebensdauer-Kurve, stellt grafisch die Beziehung zwischen der Dehnungsamplitude und der Anzahl der Umkehrungen bis zum Versagen unter zyklischen Belastungsbedingungen dar. Die vertikale Achse der ε–N-Kurve stellt die Dehnungsamplitude dar, die die Hälfte des Dehnungsbereichs in einem vollständigen Lade- und Entladezyklus ist. Die Dehnungsamplitude kombiniert sowohl elastische als auch plastische Komponenten der Dehnung und spiegelt die gesamte Verformung wider, die das Material erfährt. Die horizontale Achse stellt die Anzahl der Umkehrungen der angewendeten Dehnung dar, die ein Material vor dem Versagen ertragen kann. Dies kann von einer relativ geringen Anzahl (hundert bis tausend) bei Materialien unter hohen Dehnungsbedingungen bis hin zu wesentlich höheren Zahlen unter niedrigen Dehnungsbedingungen reichen (siehe Abbildung 2 unten).

Hauptunterschiede zwischen hochzyklischer und niederzyklischer Ermüdung

• Die Grenze zwischen LCF und HCF wird nicht durch eine genaue Anzahl von Zyklen definiert, sondern durch die Spannungsniveaus und das Verhalten des Materials — makroplastische Verformung bei LCF und elastisches Verhalten bei HCF.
• Der Hauptunterschied liegt in den Spannungsniveaus und der resultierenden Verformung: LCF ist mit hohen Spannungen und makroplastischer Verformung verbunden, während HCF niedrigere Spannungen und elastische Verformung umfasst.
• Die Analysemethoden unterscheiden sich zwischen den beiden, wobei LCF die Dehnung–Lebensdauer-Methode (E–N- oder ε–N-Methode) verwendet, die den Schwerpunkt auf plastische Verformung legt, und HCF die Spannung–Lebensdauer-Methode (S-N-Methode), die sich für die Analyse des elastischen Verhaltens eignet.

Das Verständnis dieser Nuancen ist entscheidend, um das Versagen von Materialien genau vorherzusagen, langlebige Bauteile zu entwerfen und die Zuverlässigkeit von Strukturen und Maschinen unter verschiedenen Bedingungen von Spannung und Ermüdung zu gewährleisten.