Haben Sie sich jemals gefragt, warum Metalle selbst bei scheinbar geringer Belastung versagen? Dieser Artikel erforscht die faszinierende Welt der Ermüdung von Werkstoffen und zeigt, wie zyklische Belastungen zu unerwarteten Ausfällen führen. Erfahren Sie mehr über die verschiedenen Arten von Ermüdung, die Faktoren, die die Ermüdungsfestigkeit beeinflussen, und wie Ingenieure diese Herausforderungen meistern.
Unter Ermüdung versteht man die Abnahme der strukturellen Leistungsfähigkeit von Werkstoffen, insbesondere von Metallen, bei zyklischer Beanspruchung, die schließlich zum Versagen führt.
Ermüdungsbruch ist eine weit verbreitete Form des Versagens.
Untersuchungen zeigen, dass 60 bis 70% der Ausfälle in verschiedenen Maschinen auf Ermüdungsschäden zurückzuführen sind.
Ermüdungsfraktur Das Versagen wird als Sprödbruchversagen mit geringer Spannung eingestuft, und es ist schwierig, signifikante plastische Verformungen während der Ermüdung zu erkennen, da sie in erster Linie aus lokalen plastischen Verformungen resultieren und an strukturellen Schwachstellen auftreten.
Zwar kann die Häufigkeit bei Ermüdungsversagen eine Rolle spielen, doch ist sie in der Regel eher mit der Anzahl der Zyklen als mit der Häufigkeit verbunden.
Je nach den Merkmalen der Beanspruchung, die ein Ermüdungsversagen verursacht, kann man sie in zwei Kategorien einteilen:
Hinsichtlich der Zykluszeiten kann die Ermüdung weiter unterteilt werden in:
In Bezug auf die Belastungseigenschaften kann die Ermüdung in folgende Kategorien eingeteilt werden:
Auf der Grundlage der Arbeitsumgebung des Werkstücks kann die Ermüdung unterteilt werden in:
Es ist erwähnenswert, dass die Festigkeit von Werkstoffen und Strukturen vor Ermüdungsschäden wird als "Ermüdungsgrenze" bezeichnet.
Es handelt sich um eine Ermüdung, die durch wiederholte Stoßbelastungen verursacht wird.
Wenn die Anzahl der Stöße N weniger als 500 bis 1000 beträgt, können die Teile beschädigt werden und die Bruchform der Teile ähnelt der eines einzelnen Stoßes.
Wenn die Anzahl der Stöße 105 übersteigt, wird der Bruch des Teils als Ermüdungsbruchdie typische Ermüdungsbrucheigenschaften aufweisen.
Wenn die Anzahl der Stöße 100 übersteigt, sollte die Festigkeit nach einer ähnlichen Methode wie bei der Ermüdungsanalyse berechnet werden.
Unter dem Einfluss der zyklischen Kontaktbeanspruchung kommt es zu einer allmählichen und dauerhaften Schädigung der Teile auf lokaler Ebene.
Nach einer bestimmten Anzahl von Zyklen wird die Entwicklung von Grübchenbildung, oberflächlicher Schälung oder tiefer Schälung auf der Kontaktfläche als Kontaktermüdung bezeichnet.
Kontaktermüdung ist eine häufige Ausfallart für Zahnräder, Wälzlager und Nockenwellen.
Materialien oder Teile, die durch zyklische thermische Belastung aufgrund von Temperaturschwankungen ermüden, werden als thermische Ermüdung bezeichnet.
Zyklische Temperaturschwankungen führen zu zyklischen Volumenänderungen des Materials.
Wenn die Fähigkeit des Materials, sich frei auszudehnen oder zusammenzuziehen, eingeschränkt ist, entstehen zyklische thermische Spannungen oder zyklische thermische Dehnungen.
Es gibt hauptsächlich zwei Arten von thermischer Belastung:
Die thermische Ausdehnung und Kontraktion von Teilen wird durch die Zwänge der festen Teile beeinflusst, was zu thermischen Spannungen führt.
Wenn es keine äußeren Zwänge gibt, führen ungleiche Temperaturen zwischen den Teilen zweier Teile zu ungleichmäßiger thermischer Ausdehnung und Kontraktion, was zu thermischen Spannungen führt.
Temperaturschwankungen führen auch zu Veränderungen in der inneren Struktur des Materials und verringern seine Festigkeit und Plastizität.
Unter thermischen Ermüdungsbedingungen ist die Temperaturverteilung nicht gleichmäßig, was zu schweren plastischen Verformungen, großen Temperaturgradienten und thermischen Dehnungskonzentrationen führt.
Wenn die thermische Dehnung die Elastizitätsgrenze überschreitet, ist die Beziehung zwischen thermischer Spannung und thermischer Dehnung nicht mehr linear und muss als eine elastoplastische Beziehung behandelt werden.
Thermische Ermüdungsrisse beginnen an der Oberfläche und breiten sich senkrecht zur Oberfläche nach innen aus.
Die Wärmespannung ist proportional zum Wärmeausdehnungskoeffizienten, wobei größere Koeffizienten zu einer höheren Wärmespannung führen.
Deshalb, Materialauswahl sollten die Materialien aufeinander abgestimmt werden, wobei die Unterschiede in den Wärmeausdehnungskoeffizienten nicht zu groß sein dürfen.
Unter den gleichen thermischen Belastungsbedingungen ist die thermische Belastung umso höher, je größer der Elastizitätsmodul des Materials ist.
Je größer die Temperaturzyklusänderung, d. h. die Differenz zwischen oberer und unterer Grenztemperatur, desto höher ist die thermische Belastung.
Je geringer die Wärmeleitfähigkeit des Materials ist, desto steiler ist der Temperaturgradient und desto größer ist die thermische Belastung bei schneller Beschleunigung oder Abkühlung.
Die Ermüdung, die durch das Zusammenwirken eines Korrosionsmediums und einer zyklischen Belastung verursacht wird, wird als Korrosionsermüdung bezeichnet.
Schäden, die durch die kombinierte Wirkung von Korrosionsmedium und statischer Spannung entstehen, werden als Spannungskorrosion bezeichnet.
Der Hauptunterschied zwischen den beiden besteht darin, dass Spannungskorrosion nur in bestimmten Korrosionsumgebungen auftritt, während Korrosionsermüdung in jeder Korrosionsumgebung unter dem Einfluss zyklischer Spannungen auftreten kann.
Für Spannungsrisskorrosion gibt es einen kritischen Spannungsintensitätsfaktor, der als KISCC bekannt ist. Wenn der Spannungsintensitätsfaktor KI kleiner oder gleich KISCC ist, tritt keine Spannungsrisskorrosion auf. Es gibt jedoch keinen kritischen Spannungsintensitätsfaktor für Korrosionsermüdung, und es kommt zu Brüchen, solange in einer Korrosionsumgebung zyklische Spannungen auftreten.
Der Unterschied zwischen Korrosionsermüdung und Ermüdung in der Luft besteht darin, dass sich die Oberflächen mechanischer Teile, die Korrosionsermüdung ausgesetzt sind, verfärben, außer bei rostfreiem Stahl und nitriertem Stahl. Außerdem führt die Korrosionsermüdung zu einer großen Anzahl von Rissen im Gegensatz zu einem einzigen. Die S-N-Kurve für Korrosionsermüdung hat keinen horizontalen Teil.
Es ist wichtig zu beachten, dass die Korrosionsermüdungsgrenze nur bedingt gilt und auf einer bestimmten Lebensdauer basiert. Die Faktoren, die die Korrosion beeinflussen Ermüdungsfestigkeit sind komplexer als die, die die Ermüdung in Luft beeinflussen. Während zum Beispiel die Frequenz der Ermüdungsprüfung keinen Einfluss auf die Ermüdungsgrenze in Luft hat, wenn sie unter 1000 Hz liegt, hat sie einen Einfluss auf die Korrosionsermüdung über den gesamten Frequenzbereich.
Wenn ein Material oder ein mechanisches Bauteil ausfällt, besteht die Gesamtlebensdauer normalerweise aus drei Teilen:
Zahlreiche technische Studien haben gezeigt, dass die Lebensdauer der Rissentstehung bei mechanischen Bauteilen einen großen Teil, sogar bis zu 90%, der gesamten Ermüdungslebensdauer während des tatsächlichen Betriebs ausmacht.
In den meisten Fällen wächst ein Mikroriss, wenn er eine Tiefe von etwa 0,1 mm erreicht hat, kontinuierlich entlang der Material- oder Bauteilpartie.
Die Ermüdung metallischer Werkstoffe umfasst im Wesentlichen Folgendes:
Mit zunehmender durchschnittlicher Beanspruchung (statistische Beanspruchung) nimmt die dynamische Ermüdungsfestigkeit der Materialien ab.
Bei Kräften mit gleichen Eigenschaften ist die durchschnittliche Spannung σmdesto geringer ist die Spannungsamplitude σa für eine bestimmte Lebensdauer.
Aufgrund der Anforderungen der Arbeitsbedingungen oder der Verarbeitungstechniken weisen die Bauteile häufig Merkmale wie Stufen, winzige Löcher, Nuten usw. auf. Diese Merkmale verursachen abrupte Querschnittsänderungen, die zu einer lokalen Spannungskonzentration führen, die die Ermüdungsgrenze des Werkstoffs erheblich herabsetzt.
Experimente haben gezeigt, dass die Verringerung der Ermüdungsgrenze nicht direkt proportional zum Spannungskonzentrationsfaktor ist.
Um die Ermüdungsleistung mechanischer Bauteile genau vorhersagen zu können, muss die Lebensdauer der Rissentstehung in hochbelasteten Bereichen oder bei Fertigungsfehlern abgeschätzt werden.
Die Literaturübersicht zeigt, dass es wichtig ist, nur die Auswirkungen der Eigenspannung auf die Ermüdungsfestigkeit von Metallen bei hoher Zyklusermüdung. Dies liegt daran, dass sich die Eigenspannung unter der hohen Dehnungsamplitude der Ermüdung bei niedrigen Zyklen stark entspannt und daher kaum Auswirkungen auf die Ermüdung bei niedrigen Zyklen hat.
Druckeigenspannungen an der Oberfläche sind vorteilhaft für Bauteile, die einer axialen Belastung ausgesetzt sind, und wenn der Ermüdungsriss von der Oberfläche ausgeht. Es ist jedoch wichtig, sich des Problems der Eigenspannungsrelaxation bewusst zu sein, die durch das Nachgeben von Zugeigenspannungen im Kernbereich nach Aufbringen einer äußeren Last verursacht wird.
Die Auswirkung von Eigenspannungen auf die Kerbschlagzähigkeit von Bauteilen ist von großer Bedeutung. Dies liegt daran, dass Eigenspannungen Spannungskonzentrationen enthalten und einen größeren Einfluss auf das Wachstum von Ermüdungsrissen haben.
Die Spannungskonzentration der Eigenspannung hängt jedoch nicht nur von der Kerbgeometrie ab, sondern auch von Materialeigenschaften.
Der Ermüdungsgrenzwert eines Werkstoffs, der als σ-1 bezeichnet wird, wird in der Regel anhand einer kleinen Probe mit einem Durchmesser von 7 bis 12 mm bestimmt. Der Querschnitt der tatsächlichen Bauteile ist jedoch oft größer als diese Größe.
Tests haben gezeigt, dass die Ermüdungsgrenze mit zunehmendem Probendurchmesser abnimmt.
Insbesondere sinkt die Ermüdungsgrenze bei hochfestem Stahl schneller als bei niedrigfestem Stahl.
Die Oberfläche eines Bauteils ist anfällig für die Bildung eines Ermüdungsrisses, und die Oberflächenbelastung eines Bauteils unter wechselnder Biege- oder Torsionsbelastung ist am größten.
Die Rauheit der Bauteiloberfläche und das Vorhandensein von Bearbeitungsspuren können die Ermüdungsfestigkeit beeinflussen.
Oberflächenbeschädigungen, wie z. B. Werkzeug- oder Verschleißspuren, wirken wie eine Oberflächenkerbe, die eine Spannungskonzentration verursacht und die Ermüdungsgrenze verringert.
Je höher die Festigkeit des Materials ist, desto empfindlicher reagiert es auf Kerben, und desto stärker wirkt sich die Qualität der bearbeiteten Oberfläche auf die Ermüdungsgrenze aus.
Das Ermüdungsverhalten von metallische Werkstoffe von der umgebenden flüssigen oder gasförmigen Umgebung beeinflusst wird. Korrosionsermüdung" bezieht sich auf die Reaktion von metallische Werkstoffe auf die kombinierte Wirkung eines korrosiven Mediums und zyklischer Belastungen, typischerweise in einer wässrigen Umgebung.
Unterschiedliche Umgebungsbedingungen wie Korrosionsermüdung, Ermüdung bei niedrigen Temperaturen, Ermüdung bei hohen Temperaturen sowie unterschiedlicher Luftdruck und Luftfeuchtigkeit können das Ermüdungsverhalten von Werkstoffen beeinflussen. In atmosphärischen Umgebungen sind die Versagenszyklen eines Werkstoffs in der Regel geringer als in Vakuumumgebungen, und die Lebensdauer der Rissinitiierung ist in Vakuumumgebungen länger.
Wenn das Werkstück in der Nähe des kritischen Luftdrucks (Pcr) betrieben wird, wird seine Ermüdungslebensdauer sehr empfindlich. Die Ermüdungslebensdauer von Werkstoffen in atmosphärischen Umgebungen, die im Allgemeinen niedriger ist als in Vakuumumgebungen, nimmt mit steigender Temperatur ab, was das Risswachstum beschleunigt.
Die Umgebungsfeuchtigkeit hat einen erheblichen Einfluss auf die Haltbarkeit von hochfestem Chromstahl. Wasserdampf, insbesondere bei Raumtemperatur, kann die Bruchfestigkeit der meisten Metalle und Legierungen schwächen, abhängig von der Höhe der Spannung, dem Lastverhältnis und anderen Belastungsbedingungen.
Es besteht eine starke Wechselwirkung zwischen der Mikrostruktur und der Umgebung, wobei die Gasumgebung die Bruchmorphologie und den Versetzungsgleitmechanismus beeinflusst. Die Umgebung wirkt sich auch auf die Rissschließung aus, insbesondere in der Nähe der Schwellenregion. Der Einfluss der Umgebung hängt von der Morphologie der Rissoberfläche ab, insbesondere in der Tiefenrichtung.
Bei niedrigen Temperaturen, Metallfestigkeit zunimmt, während die Plastizität abnimmt. Infolgedessen ist die Ermüdungsfestigkeit glatter Proben bei hohen Zyklen bei niedrigen Temperaturen höher, die Ermüdungsfestigkeit bei niedrigen Zyklen ist jedoch niedriger. Bei gekerbten Proben nehmen Zähigkeit und Plastizität noch stärker ab. Niedrige Temperaturen können für Kerben und Risse besonders schädlich sein, da die kritische Ermüdungsrisslänge beim Bruch stark abnimmt.
"Allgemeine Hochtemperaturermüdung" bezieht sich auf Ermüdung, die bei höheren Temperaturen als normal auftritt. Obwohl einige Teile bei höheren Temperaturen als Raumtemperatur betrieben werden können, wird Hochtemperaturermüdung nur beobachtet, wenn die Temperatur das 0,5-fache des Schmelzpunkts (Tm) oder die Rekristallisationstemperatur überschreitet. Bei diesen hohen Temperaturen treten sowohl Kriech- als auch mechanische Ermüdung auf, was zu Hochtemperaturermüdung führt.
Die Reihenfolge der Ermüdungsgrenze bei verschiedenen Belastungen ist: Umlaufbiegung < ebene Biegung < Druckbelastung < Torsionsbelastung.
In einer korrosiven Umgebung ist der Einfluss der Belastungshäufigkeit auf das Fortschreiten der Risse offensichtlich.
Bei Raumtemperatur und in einer Prüfumgebung haben herkömmliche Frequenzen (0,1-100 Hz) nur minimale Auswirkungen auf das Risswachstum von Stahl und Messing.
Im Allgemeinen ist der Einfluss der Frequenz auf die Ermüdungslebensdauer von Metallwerkstoffen minimal, wenn die Frequenz der Prüfbelastung unter 250 Hz liegt.
Risse entstehen in der Regel an der Oberfläche, z. B. an der Schweißnaht (Öse), im Stahlguss (lose) oder unter der Oberfläche (große Einschlüsse, die das lokale Dehnungsfeld verändern), sind jedoch selten im Inneren zu finden.
Die Entstehung von Rissen hängt auch von der Anzahl, Größe, Art und Verteilung der Einschlüsse sowie von der Richtung der einwirkenden äußeren Kräfte ab.
Die Bindungsstärke zwischen Einschlüssen und der Matrix sollte nicht außer Acht gelassen werden.
Mikrorisse sind mit einer Lebensdauer von einer Million Zyklen die gefährlichsten Defekte in Werkstoffen. Mikrostrukturen steuern die Lebensdauer von Materialien mit einer Lebensdauer von einer Milliarde Zyklen.
Da die Wahrscheinlichkeit von Defekten in mikroskopisch kleinen Materialien viel größer ist als an der Materialoberfläche, ist die Wahrscheinlichkeit der Rissentstehung unter ultrahochzyklischer Ermüdungsbelastung im Material natürlich größer als an der Oberfläche.
Bei spröden Werkstoffen findet kein Spannungsabbau und keine Kaltverfestigung statt.
Wenn eine Kerbe vorhanden ist, kann es bei geringer Nennspannung zum Bruch kommen.
Es wurde festgestellt, dass bei einer Kerbe die Ermüdungsgrenze des Metalls sinkt, wobei die Auswirkungen auf die Ermüdungsgrenze bei Materialien mit geringerer Plastizität größer sind.
In der Literatur wird betont, dass die Vorbereitung von Ermüdungsprüfkörpern ein kritischer Faktor ist, der zur Variabilität der Prüfergebnisse beiträgt.
So wirken sich beispielsweise die Verfahren Drehen, Fräsen, Richten und andere Bearbeitungsmethoden auf die endgültige Qualität der Probenpräparation aus.
Dies liegt daran, dass die Präparationsmethode und die Faktoren der Wärmebehandlung die Ermüdungsleistung der Werkstoffe beeinflussen können, insbesondere die Wärmebehandlung, so dass es schwierig ist, selbst bei gleicher Charge, Größe und Morphologie der Tests einheitliche Ergebnisse zu erzielen.
Es liegt auf der Hand, dass die Produktions- und Verarbeitungsfaktoren des Werkstücks dazu führen, dass die tatsächliche Ermüdungslebensdauer von Teilen von dem durch die Analyse berechneten erwarteten Lebensdauerwert abweicht.
Die Härte des Werkstoffs ist ein Schlüsselfaktor für die Dauerfestigkeit bei hohen Zyklen (wenn N > 106), während die Zähigkeit ein wichtiger Indikator für Ermüdung bei mittleren und niedrigen Zyklen ist.
Hochfester Stahl hat eine geringe Zähigkeit und daher eine geringe Ermüdungsleistung unter hohen Spannungsbedingungen. Er hat jedoch eine gute Ermüdungsbeständigkeit unter niedrigen Belastungsbedingungen.
Niedrigfester Stahl weist eine mäßige Ermüdungsleistung auf.
Im Allgemeinen gilt: Je höher der Elastizitätsmodul, desto langsamer die Risswachstumsrate.
Die Auswirkung der Korngröße auf das Risswachstum ist nur in Extremfällen signifikant (△ K → △ Kth und △ Kmax → KC) und hat nur geringe Auswirkungen auf das Risswachstum bei mittlerer Geschwindigkeit.
Die Ausbreitungsgeschwindigkeit hängt mit der Bruchzähigkeit KIC (oder KC) zusammen.
Es ist allgemein anerkannt, dass eine Erhöhung der Zähigkeit des Materials die Risswachstumsrate verringert.
Die Streuung der Ermüdungsprüfungsdaten kann auf die Prüfausrüstung und die Probe selbst zurückgeführt werden.
Laut Literatur kann ein Fehler von 3% bei der Nennlast im Vergleich zur tatsächlichen Last zu einem Fehler von 60% bei der Ermüdungslebensdauer und in Extremfällen zu einem Fehler von 120% bei der Lebensdauer führen.
Obwohl ein Fehler von 3% bei Ermüdungsprüfmaschinen akzeptabel ist, ist festzustellen, dass es bei statischen Versagensprüfungen keine signifikante Streuung gibt, selbst bei Materialien mit großer Festigkeitsstreuung wie Gusswerkstoffen und Glas.
Die Variabilität der Ergebnisse von Ermüdungsprüfungen wird durch die Materialeigenschaften, einschließlich der inhärenten Materialeigenschaften, sowie durch den Vorbereitungsprozess und die äußere Umgebung der Prüfung beeinflusst. Der Vorbereitungsprozess, insbesondere die Wärmebehandlung, ist der kritischste Faktor, der zur Streuung der Daten führt.
Einschlüsse und Partikel aus der zweiten Phase in den Materialien tragen ebenfalls wesentlich zur Datendispersion bei, der Mechanismus dahinter ist jedoch noch unbekannt.
Sichere Lebensmethode:
Die Bemessungsspannung ist niedriger als die Ermüdungsgrenze, und es wird davon ausgegangen, dass die Struktur keinen Defekt aufweist.
Ausfallsichere Methode:
Die Bemessungsspannung bezieht sich auf die Restfestigkeit im Falle von flächigen Fehlern, und diese Bemessungsmethode berücksichtigt ein akzeptables Maß an solchen Fehlern.
Sicherheitsriss-Methode:
Natürlich ist die Ausbreitung von Rissen, die mit Sicherheit vorhergesagt werden können, zulässig.
Lokale Ausfallmethode:
Die in den 1990er Jahren entwickelte Technologie für Ermüdungstests mit sehr hohen Zyklen hat gezeigt, dass selbst kleine Mikrodefekte wie Schlackeneinschlüsse, Porosität und große Körner, die beim Schmieden entstehen, die Ermüdungslebensdauer von Werkstoffen erheblich beeinflussen können.
Für Stahlwerkstoffe kann, wenn keine Ermüdungsprüfungsdaten vorliegen, eine ungefähre S-N-Kurve auf der Grundlage der Zugfestigkeit des Werkstoffs erstellt werden.
Diese Abschätzungsmethode, bei der die Ermüdungsgrenze mit der Zugfestigkeit und der Bruchdehnung der Probe verknüpft wird, ist sehr genau.
Bei der Ermüdungsanalyse von Werkstoffen und Strukturen ist es unerlässlich, sich auf Testergebnisse zu stützen und nicht nur auf elastisch-plastische Berechnungen, um genaue und zuverlässige Daten zu erhalten.
Als Gründer von MachineMFG habe ich mehr als ein Jahrzehnt meiner Karriere der metallverarbeitenden Industrie gewidmet. Meine umfangreiche Erfahrung hat es mir ermöglicht, ein Experte auf den Gebieten der Blechverarbeitung, der maschinellen Bearbeitung, des Maschinenbaus und der Werkzeugmaschinen für Metalle zu werden. Ich denke, lese und schreibe ständig über diese Themen und bin stets bestrebt, in meinem Bereich an vorderster Front zu bleiben. Lassen Sie mein Wissen und meine Erfahrung zu einem Gewinn für Ihr Unternehmen werden.
DE 
EN 
AR 
ES 
FR 
IT 
JA 
NL 
PT 
PT_BR 
RU 
KO