Metallermüdung: S‑N‑Kurven, Rissinitiierung und Prävention ist die Untersuchung progressiver, lokalisierter Rissbildungen in einem Bauteil, das wechselnden Spannungen ausgesetzt ist, deren Werte weit unter seiner Zugfestigkeit liegen.
Eine Welle, Schweißnaht oder Halterung, die eine statische Last dauerhaft tragen würde, kann nach genügend Lastumkehrungen trotzdem versagen, weil jeder Zyklus einen mikroskopischen Riss ein wenig weiter vorantreibt. Ermüdung ist der vorherrschende Ausfallmechanismus bei rotierenden und hin- und herbewegten Maschinen, und ihr Verständnis ist der Unterschied zwischen einer geplanten Überholung und einem ungeplanten, katastrophalen Bruch.
Ermüdungsschäden akkumulieren unter zyklischer Belastung, selbst wenn die Spitzenbeanspruchung komfortabel im elastischen Bereich bleibt. Der entscheidende Punkt ist, dass die Spannung, die über Millionen von Zyklen zum Versagen führt, nur ein Bruchteil der Streckgrenze sein kann. Da der Schaden an der Oberfläche und an geometrischen Merkmalen lokalisiert ist, kann ein Bauteil bis unmittelbar vor dem Bruch völlig unauffällig aussehen. Belastungsquellen umfassen rotierende Biegung, Torsionsumkehr, Druckpulsationen, thermische Zyklen und Vibration.
Ein Ermüdungsbruch entwickelt sich fast immer in drei deutlich unterscheidbaren Stadien:
Das Lesen dieser Merkmale an einem gebrochenen Bauteil gibt Aufschluss über den Entstehungsort, die Wachstumsrichtung und darüber, ob die Belastung relativ zum Querschnitt hoch oder niedrig war.
Die klassische Ermüdungscharakterisierung ist die S‑N‑Kurve, erstmals von August Wöhler aufgezeichnet. Sie trägt die Spannungsamplitude (S) gegen die Anzahl der Zyklen bis zum Versagen (N) auf einer logarithmischen Skala auf. Höhere Spannung bedeutet weniger Zyklen bis zum Versagen. Bei vielen ferrohaltigen Legierungen flacht die Kurve zu einer horizontalen Asymptote ab: unterhalb einer bestimmten Spannung, der Dauerfestigkeit (oder Ermüdungsgrenze), übersteht das Bauteil praktisch eine unendliche Anzahl von Zyklen. Viele nicht-ferrohaltige Legierungen, insbesondere Aluminium, zeigen kein solches Plateau; ihre Kurve fällt weiter ab, sodass Ingenieure stattdessen eine Ermüdungsfestigkeit für eine definierte Zyklenzahl angeben.
| Werkstoffklasse | Echte Dauerfestigkeit? | Ca. Ermüdungsverhältnis (Se/UTS) | Bezugslebensdauer |
|---|---|---|---|
| Gewalzte Stähle | Ja | ~0,5 (bei ca. 700 MPa begrenzt) | 10^6 bis 10^7 Zyklen |
| Gusseisen | Ja | ~0,4 | 10^6 bis 10^7 Zyklen |
| Titanlegierungen | Ja | ~0,45 bis 0,6 | 10^7 Zyklen |
| Aluminiumlegierungen | Nein | ~0,3 bis 0,4 | angegeben für 5×10^8 Zyklen |
| Kupferlegierungen | Nein | ~0,3 | angegeben für 10^8 Zyklen |
Die obigen Verhältnisse sind ingenieurmäßige Näherungen für polierte Laborproben; reale Bauteile benötigen Korrekturfaktoren.
Drei Effekte drücken ein reales Bauteil unter seine im Lehrbuch angegebene Ermüdungsfestigkeit:
Ermüdung teilt sich in zwei Regime. Hochzyklische Ermüdung (grob oberhalb von 10^3 bis 10^4 Zyklen) ist spannungsgesteuert, das Material bleibt weitgehend elastisch, und die S‑N‑Kurve bestimmt die Auslegung.
Niederzyklische Ermüdung (unterhalb dieses Bereichs) beinhaltet bei jedem Zyklus ausgeprägte plastische Dehnung, wie bei thermischen Transienten oder gelegentlichen starken Überlasten; hier wird statt der Spannungs‑Lebensdauer‑Betrachtung die Dehnungs‑Lebensdauer‑Methode (Coffin‑Manson) angewandt. Die Kenntnis, in welchem Regime ein Bauteil betrieben wird, entscheidet, ob gegen Spannungsamplitude oder gegen plastische Dehnungsamplitude ausgelegt wird.
Da die Initiierung das Ermüdungsleben dominiert, konzentriert sich die Prävention auf die Oberfläche und die Geometrie:
Oberflächenöffnende Ermüdungsrisse werden mit zerstörungsfreier Prüfung gefunden. Eindringprüfungen decken Risse in jedem nicht-porösen Material auf, während Magnetpulverprüfungen bei ferromagnetischen Teilen schneller sind und leicht unter der Oberfläche liegende Indikationen erfassen. Bei rotierenden Anlagen signalisiert die Auswertung von Schwingungstrends oft einen wachsenden Riss, bevor er die Oberfläche durchbricht.
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Weil Ermüdung kumulativ ist. Jeder Lastzyklus lässt einen mikroskopischen Riss ein kleines Stück wachsen, sodass bei genügend Zyklen eine weit unter der statischen Festigkeit liegende Spannung einen Riss bis zur kritischen Größe wachsen lassen und so zum plötzlichen Bruch führen kann.
Nein. Die meisten Stähle, Gusseisen und Titanlegierungen zeigen eine echte Dauerfestigkeit, unterhalb der das Lebensdauerverhalten praktisch unendlich ist. Aluminium und viele andere Nichteisenlegierungen tun dies nicht, sodass stattdessen eine Ermüdungsfestigkeit bei einer angegebenen Zyklenzahl genannt wird.
Beide sind Markierungen auf der Bruchfläche, die durch Rissausbreitung entstehen. Beachmarks sind makroskopische Bänder, mit bloßem Auge sichtbar, die Laständerungen widerspiegeln. Striationen sind mikroskopische Leisten, ungefähr eine pro Zyklus, die nur unter dem Elektronenmikroskop zu sehen sind.
Es verformt die Oberflächenschicht plastisch und hinterlässt sie in kompressiven Eigenspannungen. Da Ermüdungsrisse an der Oberfläche unter Zug beginnen, muss diese druckbelastete Schicht zuerst überwunden werden, was die Initiierung verzögert und die Ermüdungsfestigkeit erhöht.
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