Verstehen einer Ermüdungsgrenze eines Materials

Das Spannungsniveau, unterhalb dessen das Material einer unbegrenzten Anzahl von Belastungszyklen ausgesetzt werden kann, ohne dass es zu einem Ermüdungsbruch kommt, wird als Ermüdungsgrenze oder Dauerfestigkeit bezeichnet. Aluminium und Kupfer hingegen tun dies nicht und versagen schließlich sogar bei kleinen Spannungsamplituden. Einige Metalle, wie Eisenlegierungen und Titanlegierungen, haben eine klare Grenze.

Der Ausdruck „Ermüdungsfestigkeit“ oder „Dauerfestigkeit“ wird verwendet, wenn ein Material keine klare Grenze hat und als die höchste Menge an vollständig umgekehrter Biegespannung definiert ist, die ein Material für eine vorgegebene Anzahl von Zyklen aushalten kann, bevor es aufgrund von Erschöpfung versagt .

Zyklische Spannungen, Eigenspannungen, Materialeigenschaften, innere Fehler, Korngröße, Temperatur, Designgeometrie, Oberflächenqualität, Oxidation, Korrosion usw. haben alle einen Einfluss auf die Ermüdungslebensdauer. Für einige Materialien, insbesondere Stahl und Titan, gibt es einen theoretischen Spannungsamplitudenwert, unterhalb dessen das Material für eine beliebige Anzahl von Zyklen nicht versagt. Dieser Wert wird als Ermüdungsgrenze, Dauerfestigkeit oder Ermüdungsfestigkeit bezeichnet.

In diesem Artikel werden die folgenden Fragen diskutiert:

• Was ist eine Ermüdungsgrenze?
• Wer entdeckt die Ermüdungsgrenze?
• Definitionen der Ermüdungsgrenze
• Was sind typische Werte für die Ermüdungsgrenze?

Was ist eine Ermüdungsgrenze?

Das Spannungsniveau, unterhalb dessen das Material einer unbegrenzten Anzahl von Belastungszyklen ausgesetzt werden kann, ohne dass es zu einem Ermüdungsbruch kommt, wird als Ermüdungsgrenze oder Dauerfestigkeit bezeichnet.

Um die Ermüdungslebensdauer eines Materials zu berechnen, wenden Ingenieure eine Vielzahl von Techniken an. Der Stress-Life-Ansatz, der zu den nützlichsten gehört, ist häufig durch eine Wöhlerlinie, auch Wöhlerkurve genannt, gekennzeichnet. Die Abbildung zeigt diese Technik. Aufgetragen gegen die Komponentenlebensdauer oder die Anzahl der Zyklen bis zum Versagen ist die aufgebrachte Spannung (S) (N).

Die Lebensdauer der Komponenten wächst zunächst langsam und dann ziemlich schnell, wenn die Spannung von einem hohen Wert abfällt. Die zum Zeichnen der Kurve verwendeten Daten werden statistisch behandelt, da Ermüdung, wie Sprödbruch, eine so variable Natur hat. Die Streuung der Ergebnisse ist ein Ergebnis der Ermüdungsempfindlichkeit gegenüber mehreren Tests und Materialparametern, die schwer richtig zu regulieren sind.

Zyklische Spannungen, Eigenspannungen, Materialeigenschaften, innere Fehler, Korngröße, Temperatur, Designgeometrie, Oberflächenqualität, Oxidation, Korrosion usw. haben alle einen Einfluss auf die Ermüdungslebensdauer. Für einige Materialien, insbesondere Stahl und Titan, gibt es einen theoretischen Spannungsamplitudenwert, unterhalb dessen das Material für eine beliebige Anzahl von Zyklen nicht versagt. Dieser Wert wird als Ermüdungsgrenze, Dauerfestigkeit oder Ermüdungsfestigkeit bezeichnet.

Wer entdeckt die Ermüdungsgrenze?

August Wöhler schlug erstmals 1870 die Idee einer Dauerfestigkeit vor. Neuere Studien behaupten jedoch, dass es keine Dauerfestigkeit für metallische Werkstoffe gibt und dass bei genügend Belastungszyklen selbst die niedrigste Belastung schließlich zum Ermüdungsbruch führt.

Definitionen der Ermüdungsgrenze

Für die Wöhlerlinie sind folgende Begriffe definiert:

Ermüdungsgrenze

Das Spannungsniveau, unterhalb dessen kein Ermüdungsbruch auftritt, ist als Ermüdungsgrenze bekannt (manchmal auch als Dauerfestigkeit bezeichnet). Nur einige Titan- und Eisenlegierungen (auf Eisenbasis) können diese Grenze erreichen, da die Wöhlerkurve für diese Materialien bei höheren N-Werten horizontal wird. Andere Baumetalle wie Aluminium und Kupfer haben keinen klaren Bruchpunkt und geben selbst bei geringer Belastung allmählich nach. Die Standardgrenzwerte für Stähle reichen von 290 MPa bis zur Hälfte der Zugfestigkeit (42 ksi).

Ermüdungsfestigkeit

Gemäß ASTM ist die Ermüdungsfestigkeit oder SNf das Spannungsniveau, bei dem nach einer vorbestimmten Anzahl von Zyklen (z. B. 107 Zyklen) ein Versagen auftritt. Beispielsweise hat die getemperte Ti-6Al-4V-Titanlegierung eine Ermüdungsfestigkeit von etwa 240 MPa bei 107 Zyklen und einem Spannungskonzentrationsfaktor =3,3.

Lebensdauer

Das Ermüdungsverhalten eines Werkstoffs wird durch seine Ermüdungslebensdauer definiert. Gemäß dem S-N-Diagramm ist dies die Anzahl der Zyklen, die erforderlich sind, damit ein Versagen bei einem bestimmten Belastungsniveau auftritt.

Der Ermüdungsbruchprozess besteht aus drei verschiedenen Schritten:

Bruchinitiierung tritt auf, wenn sich ein kleiner Riss an einer Stelle entwickelt, an der eine Konzentration hoher Spannung vorhanden ist. Rissausbreitung, bei der jeder Spannungszyklus dazu führt, dass sich der Riss ein wenig vorwärts bewegt. Die Phase des Risswachstums verbraucht oft den größten Teil der Ermüdungslebensdauer. Sobald der expandierende Riss eine entscheidende Größe erreicht, kommt es extrem schnell zum endgültigen Versagen.

An einem Punkt der Spannungskonzentration auf der Oberfläche eines Bauteils beginnen fast immer Risse im Zusammenhang mit Ermüdungsbruch (oder „Keimbildung“). Jeder Faktor, der die Spannungskonzentration und das Auftreten von Rissen erhöht, verkürzt die Ermüdungslebensdauer. Als Ergebnis wird die Ermüdungslebensdauer eher durch Polieren als durch Schleifen auf einen höheren Grad an Oberflächengüte verbessert. Die Ermüdungslebensdauer von Metallkomponenten wird auch durch die Verstärkung und Härtung der Oberflächenschichten verbessert.

Sehen Sie sich das folgende Video an, um mehr über eine Ermüdungsgrenze zu erfahren:

Was sind typische Werte für eine Ermüdungsgrenze?

Die Grenze (Se) für Stähle reicht typischerweise von 290 MPa bis zur Hälfte der Höchstzugfestigkeit (42 ksi). (Se) ist typischerweise das 0,4-fache der Zugfestigkeit von Legierungen aus Eisen, Aluminium und Kupfer.

Die maximal üblichen Werte für Kupfer sind 97 MPa, Aluminium 130 MPa (19 ksi) und Eisen 170 MPa (24 ksi) (14 ksi). Beachten Sie, dass diese Werte für glatte und „ungekerbte“ Probekörper gelten. Bei Proben mit Kerben liegt die Dauerfestigkeit deutlich niedriger.

Es wurde gezeigt, dass die Ermüdungsgrenze für Polymermaterialien die inhärente Zähigkeit der kovalenten Bindungen darstellt, die gebrochen werden müssen, um einen Riss zu erweitern. Wenn Belastungen unterhalb der Eigenfestigkeit gehalten werden, kann ein Polymer unbegrenzt ohne Bruchbildung laufen, solange andere thermochemische Prozesse die Polymerkette nicht stören.

Zusammenfassung

Um die Ermüdungslebensdauer eines Materials zu berechnen, wenden Ingenieure eine Vielzahl von Techniken an. Der Stress-Life-Ansatz, der zu den nützlichsten gehört, ist häufig durch eine Wöhlerlinie, auch Wöhlerkurve genannt, gekennzeichnet. Die Abbildung zeigt diese Technik. Aufgetragen gegen die Komponentenlebensdauer oder die Anzahl der Zyklen bis zum Versagen ist die aufgebrachte Spannung (S) (N).

Das Spannungsniveau, unterhalb dessen das Material einer unbegrenzten Anzahl von Belastungszyklen ausgesetzt werden kann, ohne dass es zu einem Ermüdungsbruch kommt, wird als Ermüdungsgrenze oder Dauerfestigkeit bezeichnet. Das ist alles für diesen Artikel, in dem die folgenden Fragen beantwortet werden:

• Was ist eine Ermüdungsgrenze?
• Wer entdeckt eine Ermüdungsgrenze?
• Definitionen der Ermüdungsgrenze
• Was sind typische Werte für eine Ermüdungsgrenze?

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