Materialermüdung

Die Materialermüdung beschreibt den Alterungsprozess in einem Werkstoff unter Umgebungseinflüssen wie mechanische Belastung, Temperatur oder einem korrosiven Medium. Materialermüdung bedeutet, dass auch eine an sich unkritische Belastung zu einer Funktionsuntüchtigkeit oder auch zum Totalausfall (Ermüdungsbruch) eines Bauteiles führt, wenn sie nur lange genug bzw. oft genug wiederholt einwirkt. Belastete Teile haben daher nur eine begrenzte Lebensdauer. Deshalb erfolgt an kritischen Bauteilen vor dem Einsatz eine Lebensdauerbewertung, -berechnung oder gar Versuche, die eine Abschätzung der Haltbarkeit des Bauteils zulässt. Derartige Versuche sind unter dem Oberbegriff Umweltsimulation zusammengefasst.

Einfaches Beispiel: Eine Büroklammer kann man zunächst beliebig verbiegen. Wenn man sie jedoch einige Male an der selben Stelle hin und her biegt, wird sie brechen, da das Material an der Bewegungsstelle ermüdet ist.

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Unterarten

Man unterscheidet

• statische Ermüdung (z. B. unterkritisches Risswachstum unter korrosiven Medien, Spannungsrisskorrosion)
• dynamische Ermüdung (z. B. Wechselermüdung unter zyklisch wechselnder Belastung, s. a. Wöhlerversuch, Vibration)
• Hochtemperaturermüdung (z. B. Kriechermüdungsvorgänge)
• tribologische Ermüdung (Verschleiß)
• thermo-mechanische Ermüdung

Mechanismen

Ausgelöst wird die Materialermüdung durch plastische Verformung, die in ihrer kleinsten Form als mikroplastische Verformung bezeichnet wird. Die als Träger der plastischen Verformung bezeichneten Versetzungen können sich z. B. zu Gleitbändern zusammenschließen und führen schließlich zum sog. technischen Anriss, an dem eine Spannungsüberhöhung vorliegt. Dieser Anriss kann durch weitere Belastung wachsen (Risswachstum), bis er schließlich eine kritische Länge erreicht und zum endgültigen Versagen des Bauteils führt.

Geschichtliche Ereignisse

• 1829: Wilhelm Albert beobachtet Ausfälle an eisernen Kettengliedern von Minen-Fahrstühlen in den Minen von Clausthal
• 1839: In seinen Vorlesungen an der Militärschule in Metz führt Jean Victor Poncelet den Begriff der Ermüdung an Metallen ein und vergleicht es mit dem Erschlaffen eines Menschen
• 1843: William John Macquorn Rankine erkennt die Wichtigkeit der Spannungskonzentration in seinen Untersuchungen an Ausfällen von Eisenbahn-Achsen im Versailles-Unfall
• 1849: Eaton Hodgkinson untersucht, bis zu welcher Grenze man Stahlstrukturen belasten kann ohne die Sicherheit zu gefährden
• 1860: August Wöhler untersucht Eisenbahnachsen und schlägt daraufhin vor, die Belastungsgrenzen von Bauteilen in einem Diagramm aufzutragen, um zukünftig Festigkeits-Auslegungen zu ermöglichen
• 1903: Sir James Alfred Ewing entdeckt mikroskopisch kleine Risse als den Ursprung des Ermüdungsversagens
• 1910: O.H. Basquin definiert die Form einer typischen Wöhlerkurve
• 1938: Edward E. Simmons erfindet den Dehnungsmessstreifen und beschleunigt damit sämtliche Forschung auf dem Gebiet der Ermüdung
• 1945: A.M. Miner favorisiert A. Palmgren's (1924) lineare Schadensakkumulations-Theorie als praktikables Auslegungswerkzeug
• 1954: Materialermüdung führt zu einer zunächst rätselhaften Serie von Abstürzen von De Havilland Comet-Jets, den ersten kommerziellen Passagierjets.
• 1954: L.F. Coffin und S.S. Manson erklären das Risswachstum anhand plastischer Dehnungen an der Rißspitze
• 1961: P.C. Paris stellt den phenomenologischen Betrachtungen Miner's seine theoretische Betrachtungen auf Basis des Risswachstums einzelner Risse gegenüber
• 1968: Tasuo Endo und M. Matsuiski leiten den Rainflow-Algorithmus zur Zählung von zufälligen Schwingspielen ab und ermöglichen damit die zuverlässige Anwendung der Miner'schen Gesetzmäßigkeiten
• 1970: W. Elber entdeckt die Mechanismen des Riss-Schließens
• 1975: S. Pearson beobachtet bei kurzen Rissen gelegentliches Stoppen des Risswachstums in frühen Wachstumsphasen

Literatur

• S. Suresh, "Fatigue of Materials", Cambridge University Press 1998
• Bernhard Ilschner, "Hochtemperatur-Plastizität", Springer-Verlag, 1973

Siehe auch

• Festigkeit, Dauerschwingfestigkeit, Wöhlerversuch, Risswachstum, Korrosion, Versetzungskriechen, Verschleiß, Ermüdungsbruch