Versagen aufgrund von Materialermüdung ist eine wichtige Ursache für strukturelles Versagen. Aber was ist Materialermüdung genau? Und welche Faktoren beeinflussen die Ermüdungsfestigkeit oder Lebensdauer von Bauteilen und Strukturen?
Beschreibung der Ermüdung
Metallermüdung ist die allmähliche Entwicklung von Schäden in einer Struktur oder einem Bauteil, das zyklischen Belastungen ausgesetzt ist, was schließlich zum vollständigen Versagen der Struktur führt. Bemerkenswert ist, dass das Spannungsniveau des Materials, das Ermüdungsversagen verursacht, erheblich niedriger ist als die maximal zulässigen Spannungen bei einer einzelnen statischen Belastung. Die Belastungen, die für das Ermüdungsversagen verantwortlich sind, werden als Ermüdungsbelastungen bezeichnet und sind zyklischer Natur.
Die Beschreibung der Metallermüdung kann in zwei Gruppen unterteilt werden: eine metallurgische und eine mechanische Beschreibung.
Die metallurgische Beschreibung berücksichtigt den Zustand eines Materials vor, während und nach der Anwendung der Ermüdungsbelastungen und umfasst auch die Untersuchung der Ermüdungsmechanismen.
Die mechanische Beschreibung berücksichtigt die mechanische Reaktion auf eine Reihe von Belastungsbedingungen, wie z.B. die Vorhersage der Anzahl der Lastzyklen, die bei einem bestimmten Spannungsniveau zum Ermüdungsversagen führen. Die mechanische Beschreibung ist aus ingenieurtechnischer Sicht nützlicher, beispielsweise um die Ermüdungslebensdauer von Bauteilen vorherzusagen und auf dieser Basis eine Inspektions- oder Wartungsstrategie zu entwickeln.
Phasen der Metallermüdung
Das Ermüdungsversagen entwickelt sich typischerweise in drei verschiedenen Phasen:
- 1. Rissinitiierung
- Die Rissinitiierung beginnt im Allgemeinen an der Oberfläche eines Bauteils und an Stellen mit erhöhter Materialspannung. Die Größe des Risses in dieser Phase beträgt in der Regel nicht mehr als 0,5 mm und ist mit bloßem Auge nicht sichtbar.
- 2. Rissfortschritt
- Der Riss breitet sich mit jedem dynamischen Lastzyklus weiter aus. Zunächst schreitet das Risswachstum langsam voran, beschleunigt sich jedoch, wenn die Materialspannung im unbeschädigten Teil des Bauteils zu steigen beginnt.
- 3. Beendigung
- Sobald der Materialquerschnitt des unbeschädigten Teils des Bauteils zu klein geworden ist, um die Kräfte zu tragen, bricht das Teil in einem Lastzyklus vollständig durch sprödes Versagen.
Faktoren, die die Ermüdung beeinflussen
Die wichtigsten Faktoren, die die Metallermüdung beeinflussen, sind:
- Mittelspannung
- Oberflächenrauheit
- Kerben
- Eigenspannungen
- Temperatur
Mittelspannung
Spannungswerte können ein positives oder ein negatives Vorzeichen haben. Nach Konvention haben Druckspannungen ein negatives Vorzeichen und Zugspannungen ein positives Vorzeichen. Da hauptsächlich Zugspannungen für das Ermüdungsversagen verantwortlich sind, führt eine höhere Mittelspannung zu einem früheren Versagen. Eine höhere Mittelspannung bedeutet, dass ein Lastzyklus mehr oder höhere Zug- als Druckspannungen enthält. Bei einer Belastung mit konstanter Amplitude wird eine Mittelspannung von 0 MPa durch eine Belastung verursacht, die zwischen -P und +P schwankt.
Oberflächenrauheit
Ermüdungsrisse in einem Metall entstehen in der Regel an der Oberfläche eines Bauteils. Metallermüdung wird daher als Oberflächenphänomen betrachtet. Es zeigt sich auch, dass die Qualität der Oberfläche eine wichtige Rolle bei der Ermüdungslebensdauer einer Struktur spielt. Eine rauere Oberfläche führt zu einem schnelleren Ermüdungsversagen. Lesen Sie mehr über den Oberflächenrauheitsfaktor KR.
Kerben
Kerben verursachen lokale Spannungsüberhöhungen. Ermüdung tritt in der Regel an diesen Stellen auf, aber die Ermüdungsfestigkeit ist oft etwas höher als es die lokalen Spannungen vermuten lassen würden.
Eigenspannungen
Eigenspannungen sind Spannungen, die häufig aus einem Herstellungs- oder Nachbearbeitungsprozess resultieren. Eigenspannungen können die Ermüdungsfestigkeit eines Teils erhöhen oder verringern. Restliche Zugspannungen verringern die Ermüdungsfestigkeit, während restliche Druckspannungen die Ermüdungsfestigkeit eines Materials erhöhen. Kugelstrahlen ist ein Nachbearbeitungsprozess, der lokale Druckspannungen einführt und somit die Ermüdungsfestigkeit erhöht.
Temperatur
Die Ermüdungsfestigkeit einiger Materialien kann auch durch die Temperatur beeinflusst werden. Bei Temperaturen über 200 °C beginnen viele Materialien strukturelle Veränderungen zu zeigen, was zu einer verringerten Ermüdungsfestigkeit führt.