Ermüdungsgrenzen meistern: Wie Materialien endlosen Belastungszyklen widerstehen

Was ist eine Ermüdungsgrenze?

Die Spannung, unterhalb derer einer unbegrenzten Anzahl von Belastungszyklen einem Material zugefügt werden kann, ohne Ermüdungsbruch zu verursachen, wird als Ermüdungsgrenze oder Dauerfestigkeit bezeichnet. Aluminium und Kupfer hingegen besitzen keine klare Grenze und versagen schließlich auch bei kleinen Spannungsamplituden. Einige Metalle wie Eisenlegierungen (ferrolegierungen) und Titanlegierungen weisen eine klare Grenze auf.

Der Begriff „Ermüdungsfestigkeit“ wird verwendet, wenn ein Material keine klare Grenze besitzt, und ist definiert als die höchste vollständig umgekehrte Biegespannung, die ein Material für eine festgelegte Anzahl von Zyklen aushalten kann, bevor es durch Ermüdung versagt.

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

Wer entdeckte die Ermüdungsgrenze?

August Wöhler schlug 1870 erstmals das Konzept einer Dauerfestigkeit vor. Neuere Studien argumentieren jedoch, dass es für metallische Materialien keine Dauerfestigkeiten gibt und dass bei ausreichend vielen Spannungszyklen selbst die niedrigste Spannung schließlich zu Ermüdungsbruch führt.

Definitionen der Ermüdungsgrenze

Für die S-N-Kurve (Wöhler-Kurve) werden folgende Begriffe definiert:

Ermüdungsgrenze (Dauerfestigkeit)

Die Spannung, unterhalb derer kein Ermüdungsbruch auftritt. Nur einige Titan- und ferrolegierte (eisenbasierte) Legierungen erreichen diese Grenze, da die S-N-Kurve für diese Materialien bei höheren N-Werten horizontal wird. Andere Konstruktionsmetalle wie Aluminium und Kupfer haben keinen klaren Versagenspunkt und versagen allmählich auch unter geringen Spannungen. Typische Werte für Stähle liegen zwischen 290 MPa und 1/2 der Zugfestigkeit (42 ksi).

Ermüdungsfestigkeit

Nach ASTM ist die Ermüdungsfestigkeit (SNf) die Spannung, bei der nach einer vorgegebenen Anzahl von Zyklen (z. B. 10⁷ Zyklen) Versagen eintritt. Beispielsweise hat der geglühte Ti-6Al-4V-Titanlegierung eine Ermüdungsfestigkeit von ca. 240 MPa bei 10⁷ Zyklen und einem Spannungskonzentrationsfaktor von 3,3.

Ermüdungslebensdauer

Das Ermüdungsverhalten eines Materials wird durch seine Ermüdungslebensdauer definiert. Gemäß dem S-N-Diagramm ist es die Anzahl der Zyklen, die für einen Versagen bei einem gegebenen Spannungsniveau erforderlich sind.

Drei Phasen des Ermüdungsversagens:

1. Rissinitiation: Ein kleiner Riss entsteht an einer Stelle mit hoher Spannungskonzentration.
2. Rissfortschritt: Jeder Spannungszyklus lässt den Riss leicht voranschreiten. Diese Phase verbraucht oft den größten Teil der Ermüdungslebensdauer.
3. Endgültiger Bruch: Sobald der wachsende Riss eine kritische Größe erreicht, erfolgt der endgültige Bruch sehr schnell.

Risse, die mit Ermüdungsbruch verbunden sind, beginnen fast immer an einer Spannungskonzentration auf der Bauteiloberfläche. Jeder Faktor, der die Spannungskonzentration und Rissbildung erhöht, verkürzt die Ermüdungslebensdauer. Daher verbessert Polieren statt Schleifen die Oberflächengüte und damit die Ermüdungslebensdauer. Auch das Härten und Verstärken der Oberflächenschichten von Metallbauteilen erhöht die Ermüdungslebensdauer.

Typische Werte für die Ermüdungsgrenze

Die Grenze (Se) für Stähle liegt typischerweise zwischen 290 MPa und der Hälfte der Zugfestigkeit (42 ksi). Für Eisen-, Aluminium- und Kupferlegierungen beträgt (Se) typischerweise 0,4-mal die Zugfestigkeit.

Maximale typische Werte: Kupfer 97 MPa, Aluminium 130 MPa (19 ksi), Eisen 170 MPa (24 ksi) (14 ksi). Hinweis: Diese Werte gelten für glatte, „ungekerbte“ Prüfkörper. Bei gekerbten Proben ist die Dauerfestigkeit deutlich niedriger.

Für polymere Materialien stellt die Ermüdungsgrenze die inhärente Zähigkeit der kovalenten Bindungen dar, die gebrochen werden müssen, um einen Riss fortzupflanzen. Solange Lasten unterhalb der inhärenten Festigkeit gehalten werden und keine anderen thermochemischen Prozesse die Polymkette stören, kann ein Polymer unbegrenzt ohne Rissbildung laufen.

Zusammenfassung

Zur Berechnung der Ermüdungslebensdauer eines Materials nutzen Ingenieure verschiedene Techniken. Der Spannungs-Lebensdauer-Ansatz, einer der nützlichsten, wird häufig durch eine S-N-Kurve (Wöhler-Kurve) charakterisiert. Dabei wird die angewendete Spannung (S) gegen die Bauteillebensdauer oder Anzahl der Zyklen bis zum Versagen (N) aufgetragen.

Die Ermüdungsgrenze ist die Spannung, unterhalb derer eine unbegrenzte Anzahl von Belastungszyklen ohne Ermüdungsbruch möglich ist. In diesem Artikel wurden folgende Fragen beantwortet: Was ist eine Ermüdungsgrenze? Wer entdeckte sie? Definitionen und typische Werte.