Materialermüdung

Materialermüdung (auch Werkstoffermüdung, englisch material fatigue) ist die fortschreitende Schädigung eines Werkstoffs durch wiederholte, also zyklische Belastung. Ein Bauteil, das eine einmalige Last gleicher Höhe problemlos erträgt, bricht nach einer ausreichenden Zahl von Lastwechseln, und zwar auch bei Spannungen unterhalb der Streckgrenze. Ermüdung gehört zu den häufigsten Ursachen für Brüche von Maschinenbauteilen im Betrieb.

Ein Ermüdungsbruch (Dauerbruch) verläuft in drei Phasen: Rissentstehung (meist an der Oberfläche an einer Spannungskonzentration wie Kerbe, Bohrung, scharfem Übergang, Gewinde oder Schweißnaht), schrittweises Risswachstum mit jedem Lastwechsel und schließlich der plötzliche Restbruch des verbliebenen Querschnitts. Die Bruchfläche zeigt typischerweise eine glattere Schwingbruchfläche mit Rastlinien und eine raue Restbruchfläche.

Das Ermüdungsverhalten beschreibt die Wöhlerlinie (S-N-Kurve), also die Spannungsamplitude über der Zahl der Lastwechsel bis zum Bruch. Bei den meisten Stählen geht die Kurve im Bereich von 1 bis 10 Millionen Lastwechseln in einen nahezu waagerechten Ast über, die zugehörige Amplitude heißt Dauerfestigkeit. An glatten Stahlproben unter Umlaufbiegung liegt sie etwa beim 0,4- bis 0,5-Fachen der Zugfestigkeit, am realen Bauteil wegen Kerben, Oberfläche und Größe deutlich darunter. Aluminiumlegierungen haben keine ausgeprägte Dauerfestigkeit, ihre Schwingfestigkeit wird daher für eine festgelegte Lastwechselzahl angegeben. Man unterscheidet die Kurzzeitfestigkeit (Low Cycle Fatigue, meist bis zu einigen zehntausend Lastwechseln, mit plastischer Verformung) und den Bereich hoher Lastwechselzahlen (High Cycle Fatigue).

Die Lebensdauer verringern außerdem Zugmittelspannungen, raue Oberflächen, Korrosion und erhöhte Temperatur, verlängern lassen sie Druckeigenspannungen in der Randschicht (etwa durch Kugelstrahlen oder Festwalzen). Bei veränderlicher Betriebslast werden die Schwingspiele mit der Rainflow-Zählung erfasst und die Schädigung nach der Palmgren-Miner-Regel aufsummiert.

Mit Ermüdung müssen Sie überall rechnen, wo sich die Belastung wiederholt: rotierende Wellen, Federn, Pleuel, geschweißte Fahrzeug- und Maschinenrahmen, schwingungsbeanspruchte Teile, zyklisch befüllte Druckbehälter, Schnapphaken und federnde Kunststoffelemente. Die Zahl der Lastwechsel steigt dabei schnell: Ein Teil, das mit 50 Hz schwingt, erreicht eine Million Lastwechsel in rund 5,5 Betriebsstunden.

Der Ermüdungsnachweis gehört daher bei den meisten bewegten und schwingenden Konstruktionen zur Festigkeitsberechnung, bei sicherheitsrelevanten Teilen ergänzen ihn Schwingfestigkeitsversuche.

Ein typischer Fehler ist, ein Teil nur auf statische Festigkeit auszulegen. Ermüdungsrisse entstehen an Details: scharfe Innenecken, plötzliche Querschnittsänderungen, Querbohrungen, Anfang und Ende von Schweißnähten, Gewinde sowie raue oder beschädigte Oberflächen. Sehen Sie großzügige Übergangsradien vor, legen Sie Schweißnähte außerhalb der am höchsten beanspruchten Stellen und schreiben Sie für kritische Flächen die Rauheit und gegebenenfalls eine Randschichtverfestigung vor.

Rechnen Sie bei Aluminium, Kunststoffen und 3D-gedruckten Teilen nicht mit einer Dauerfestigkeit. Kunststoffe erwärmen sich zudem bei höherer Belastungsfrequenz, und bei gedruckten Teilen breiten sich Risse leicht entlang der Schichten aus. Verwenden Sie Schwingfestigkeitswerte für den konkreten Werkstoff, Zustand und das Fertigungsverfahren und prüfen Sie sie bei kritischen Teilen im Versuch an mehreren Proben, denn die Ergebnisse von Ermüdungsversuchen streuen stark.