Bei der Auswahl eines Werkstoffs für eine bestimmte Anwendung ist es wichtig, die Einsatzbedingungen zu berücksichtigen, denen er ausgesetzt sein wird. Die Wahl eines Werkstoffs mit den passenden Eigenschaften gewährleistet eine lange Lebensdauer.
Eine der am häufigsten betrachteten Eigenschaften ist die Zugfestigkeit des Materials. Diese beschreibt die maximale Belastung, die das Material aushalten kann, bevor es versagt. Um das Risiko eines Ausfalls weiter zu reduzieren, wird ein Sicherheitsfaktor berücksichtigt.
In vielen Anwendungen ist die Belastung jedoch nicht konstant. Sowohl die Größe als auch die Richtung der Belastung können sich regelmäßig oder unregelmäßig ändern. Solche Belastungen werden als wechselnde oder schwankende Belastungen bezeichnet und können zu einem Versagen bei Belastungen führen, die deutlich unter der Zugfestigkeit des Materials liegen.
In diesem Artikel lernen wir das Phänomen der Materialermüdung kennen und wie man ein dadurch verursachtes Versagen vermeiden kann.
Ermüdung beschreibt die Schwächung eines Werkstoffs durch wiederholte schwankende Belastungen, die zu Schäden in der Materialstruktur und schließlich zum Versagen führen. Die Schädigung beginnt lokal, baut sich mit der Zeit auf und kann in einer Katastrophe enden.
Viele Bauteile sind während ihres Einsatzes wechselnden Belastungen ausgesetzt. Einige Beispiele:
Jeder hat wahrscheinlich schon einmal einen Ermüdungsbruch erlebt, etwa beim Versuch, einen Metalldraht zu brechen.
Dabei wird der Draht wiederholt hin- und hergebogen. Jeder Biegevorgang zählt als ein Zyklus. Bricht der Draht schließlich, kann man die Anzahl der Zyklen bis zum ersten Riss und letztlichen Bruch zählen.
Die Kenntnis der Zyklusanzahl und der Belastung ermöglicht die Bestimmung der Ermüdungsfestigkeit des Materials.
Würde man den Draht nur durch Zug zerreißen wollen, wäre ein deutlich größerer Kraftaufwand nötig. Durch wiederholtes Biegen reicht jedoch eine minimale Kraft zum selben Ergebnis.
Am Biegepunkt des Drahts treten wechselnde Belastungen auf, da der obere und untere Querschnitt abwechselnd gestreckt und gestaucht werden. Nach genügend Lastwechseln bricht der Draht.
Dies ist ein Beispiel für einen Ermüdungsbruch. Ein solcher Bruch kann also bei kleinen Lasten und wenigen Lastwechseln auftreten – je nach Werkstoff.
Bemerkenswert ist zudem, dass ein Ermüdungsbruch nicht allmählich, sondern plötzlich und schlagartig wie bei spröden Werkstoffen auftritt.
Ermüdungsbrüche sind weit weniger vorhersehbar als normale Brüche, da es kaum sichtbare Vorzeichen gibt. Diese sind mit bloßem Auge schwer zu erkennen. Bei einer normalen Überlastung zeigt sich meist Einschnürung, nicht aber vor einem Ermüdungsbruch. Daher ist es unmöglich, den genauen Zeitpunkt eines Ermüdungsversagens vorherzusagen.
Um solche Situationen zu vermeiden, müssen Bauteile regelmäßig überprüft und nach einer empfohlenen Anzahl von Lastwechseln ausgetauscht werden. Die zulässige Zykluszahl hängt von den Materialeigenschaften und der Höhe der Belastung ab. Höhere Belastungen bedeuten eine kürzere Lebensdauer. Dies lässt sich mithilfe einer S-N-Kurve besser verstehen, auf die wir gleich eingehen.
Ein Ermüdungsbruch geschieht zwar ohne Vorwarnung, bei genauer Beobachtung sind jedoch einige Anzeichen erkennbar.
Bei kontinuierlicher zyklischer Belastung bilden sich an hochbeanspruchten Stellen winzige Risse. Diese können durch zerstörungsfreie Prüfverfahren sichtbar gemacht werden.
Ein Beispiel ist die Farbeindringprüfung zur Kontrolle von Pleuelstangen in Dieselmotoren bei regelmäßigen Wartungen. Werden Risse entdeckt, wird das Teil durch ein neues oder überholtes Ersatzteil ersetzt.
Ist ein Ermüdungsriss entstanden, breitet er sich mit jedem Lastwechsel weiter aus. Währenddessen entstehen auf der Oberfläche Striations, also feine Linien, die den Rissfortschritt anzeigen.
Striations sind typische Merkmale für die Entwicklung eines Ermüdungsrisses. Die Rissausbreitung ist zu Beginn äußerst langsam und wird als Phase-I-Risswachstum bezeichnet.
Hat der Riss eine kritische Größe erreicht und überschreitet die Spannungsintensität die Bruchzähigkeit des Materials, breitet sich der Riss rasch aus.
Diese schnelle Ausbreitung wird als Phase-II-Risswachstum bezeichnet und erfolgt senkrecht zur aufgebrachten Kraft.
Schließlich kann das Material keiner weiteren Belastung mehr standhalten und es kommt zum vollständigen Bruch. Dieses Versagen geschieht sofort und kann sowohl für die Bediener als auch die Maschine gravierende Folgen haben.
Bestimmte Maschinenteile sind besonders gefährdet, bei wechselnden Belastungen zu versagen. Es ist wichtig, diese Teile zu kennen, um Ausfälle zu vermeiden.
Bei Wellen steht die Ermüdung ganz oben auf der Liste der Versagensursachen. Kurbelwellen sind beispielsweise starken zyklischen Belastungen ausgesetzt. Sie sind zentrale Bestandteile vieler Antriebsmaschinen wie Dieselgeneratoren, Schiffsmotoren, Fahrzeugmotoren und Kolbenkompressoren.
Hauptursache für beschädigte Wellen ist eine mangelhafte Konstruktion. Durch das Rollen von Kurbelwellenfillets kann die Ermüdungslebensdauer verbessert werden.
Auch andere Wellen, wie die von Kolben- und Kreiselpumpen oder Motoren, sind zyklischen Belastungen mit Ausfallrisiko ausgesetzt.
Die Belastung wirkt aus verschiedenen Richtungen auf die Welle. Am einen Ende sitzt beispielsweise der Motor, der sein Gewicht auf die Welle überträgt. Zwei Lager dienen als Stützpunkte. Gleichzeitig muss die Drehzahl übertragen werden, etwa durch Zahnrad und Kette, die zusätzliche Belastung verursachen.
Während der Rotation ändert sich die Belastungsrichtung ständig relativ zur Wellenachse – ein Bruch kann daher ähnlich wie beim Drahtbeispiel auftreten.
Schrauben sind bekannte Schwachstellen. Sie müssen Zug- und Druckkräfte durch Maschinenbewegungen und Vibrationen aufnehmen.
Unzureichend angezogene Schrauben geben Spielraum für zusätzliche Bewegung. Schrauben sollten daher mit einer Vorspannung angezogen werden, die über der maximalen Betriebslast liegt.
Zahnräder übertragen Kraft über ihre Zähne. Diese stehen bei Kontakt mit dem Gegenrad unter hoher Belastung. Entfernt sich das Zahnrad aus diesem Eingriff, entfällt die Belastung – es entsteht eine zyklische Beanspruchung, da die Kräfte auf einen Zahn ständig variieren.
Zudem ist die Lastverteilung entlang der Zahnflanke nicht gleichmäßig. Diese Lastkonzentration kann Ermüdungsprobleme weiter verschärfen.
Die Ermüdungsfestigkeit beschreibt die Fähigkeit eines Werkstoffs, einem Ermüdungsbruch zu widerstehen.
Die ASTM definiert die Ermüdungsfestigkeit als den Grenzwert der Spannung (SNf), bei dem nach Nf Lastwechseln ein Versagen eintritt. Die Anzahl der Lastwechsel kann – je nach Belastung und Material – von wenigen bis zu sehr vielen Zyklen reichen.
Nach einer bestimmten Anzahl von Lastwechseln kann das Material jederzeit versagen, weshalb der Austausch rechtzeitig erfolgen sollte.
Die Ermüdungsgrenze (Sf) ist die Spannung, bei der Nf (Anzahl der Lastwechsel bis zum Versagen) extrem groß wird. Nf lässt sich durch Verringerung der zyklischen Belastung erhöhen.
Bleibt die Belastung unterhalb der Ermüdungsgrenze, kann ein Bauteil eine sehr hohe Anzahl von Zyklen – meist mehr als 10 Millionen, teils bis zu 500 Millionen – überstehen.
Der Unterschied zwischen Ermüdungsfestigkeit und Ermüdungsgrenze liegt in der Zykluszahl: Die Ermüdungsgrenze bezieht sich auf eine deutlich höhere Anzahl von Lastwechseln. Ingenieure konstruieren ihre Bauteile daher so, dass sie im Betrieb unterhalb der Ermüdungsgrenze bleiben.
Zur Bestimmung der Ermüdungsgrenze stehen verschiedene Prüfverfahren zur Verfügung:
Die S-N-Kurve wird im Verlauf flacher, sobald die Spannungswerte abnehmen – das gilt für die meisten Werkstoffe.
Für Stahl verläuft die Kurve ab einem bestimmten Punkt waagerecht. Das bedeutet, dass unterhalb dieses Spannungswertes kein Ermüdungsversagen mehr auftritt. Diese Grenze nennt man Dauerfestigkeit.
Aluminium weist hingegen keine echte Dauerfestigkeit auf: Zwar werden mit abnehmender Belastung mehr Zyklen erreicht, eine absolute Grenze gibt es aber nicht.
Der Unterschied zwischen Ermüdungsgrenze und Dauerfestigkeit besteht darin, dass die Dauerfestigkeit keine begrenzte Anzahl von Lastwechseln festlegt, nach der das Bauteil versagt. Das Bauteil hat praktisch eine unendliche Lebensdauer und zeigt kein Ermüdungsversagen.
Die Lebensdauer eines Bauteils kann mit Hilfe der S-N-Kurve abgeschätzt werden, wobei S für die aufgebrachte Spannung und N für die Anzahl der Lastwechsel steht. In der Regel werden S-N-Kurven im Labor erstellt, indem Proben verschiedenen Spannungen mit einer Prüfvorrichtung ausgesetzt werden. Die jeweilige Nf-Zahl wird festgehalten.
Anschließend werden diese Werte auf einer logarithmischen S-N-Kurve aufgetragen, um einen großen Wertebereich darzustellen. Mithilfe der linearen Regression wird aus den einzelnen Datenpunkten eine kontinuierliche Kurve erstellt.
Die resultierende Kurve ähnelt einer Hyperbel. Die Gleichung der Kurve ist eine Ableitung von SN=konstant.
Das bedeutet: Mit abnehmender Spannungsamplitude steigt die Anzahl der Lastwechsel exponentiell an. Für die gesamte Kurve ist keine einheitliche Gleichung anwendbar, sondern es müssen für ausgewählte Bereiche eigene Gleichungen definiert werden – entweder manuell oder mithilfe von Software wie Solidworks.
Mit einer bekannten S-N-Kurve lässt sich die Lebensdauer eines Bauteils bei bekanntem Lastkollektiv abschätzen.
Dank intensiver Forschung im Bereich Metallermüdung in den letzten Jahrzehnten stehen zahlreiche Daten zur Verfügung, um Bauteile effizienter auszulegen.
Wird innerhalb der Dauerfestigkeit konstruiert, hält das Material praktisch ewig – vorausgesetzt, es treten keine Korrosion oder andere schädliche Einflüsse auf. Wie eine durchdachte Konstruktion die Lebensdauer verlängern kann, zeigt die folgende Übersicht:
1. Konstruktion innerhalb der Dauerfestigkeit. Die maximal während des Einsatzes auftretende zyklische Belastung muss unterhalb der Dauerfestigkeit liegen, um Ermüdungsbrüche zu verhindern.
2. Fehlertolerante Konstruktion. Das Design muss den Ausfall einzelner Bauteile berücksichtigen. So sollte möglichst vermieden werden, dass der Ausfall eines Teils zum Totalausfall oder irreparablen Schaden an der Maschine führt.
3. Regelmäßiger Austausch gefährdeter Bauteile. Die Konstruktion sollte die Ermüdungsgrenzen aller Teile berücksichtigen und vorgeschriebene Wartungsintervalle enthalten. Diese Intervalle können in das vorbeugende Instandhaltungssystem aufgenommen werden.
4. Schadensresistenz. Bereits bei der Konstruktion eines Bauteils muss die Möglichkeit von Materialfehlern oder Vorschäden eingeplant werden – es ist davon auszugehen, dass bereits Risse existieren könnten.
5. Risikobewertung. Das Versagensrisiko von Bauteilen muss regelmäßig überprüft werden, um sicherzustellen, dass es im akzeptablen Bereich bleibt.
Neben der Konstruktion sind auch Prüfungen und Instandsetzungen notwendig, um Ermüdungsversagen zu verhindern.
