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Über dieses Buch

Das vorliegende Fachbuch wendet sich an Ingenieure in Entwicklung, Berechnung und Versuch sowie an Forscher, Hochschullehrer und Doktoranden. Es behandelt die phänomenologischen, theoretischen und versuchstechnischen Grundlagen der Gestaltung, Dimensionierung und Optimierung ermüdungsfester Bauteile. Die daraus entwickelten rechnerischen Verfahren des Festigkeitsnachweises und der Lebensdauerprognose werden an konkreten Beispielen erläutert, darunter die FKM-Richtlinie für Maschinenbauteile, der Eurocode für Bauten aus Stahl und Aluminium sowie der ASME-Code für Druckbehälter.

Die Neubearbeitung und Erweiterung der Drittauflage umfasst neben zahlreichen Detailverbesserungen den Einfluss der möglicherweise nicht proportionalen Beanspruchungsmehrachsigkeit sowie das Kurzrissverhalten im polykristallinen Gefüge.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

1. Einführung

Auszug
Unter Materialermüdung wird die Schädigung oder das Versagen von Werkstoff und Bauteil unter zeitlich veränderlicher, häufig wiederholter Beanspruchung verstanden. Es bilden sich bevorzugt an Fehlstellen, Kerben und Querschnittsübergängen nach kleinerer oder größerer Schwingspielzahl Anrisse. Die Risse vergrößern sich mit den weiteren Schwingspielen, schließlich tritt der Restbruch ein. Dies geschieht bei einer Beanspruchungshöhe, die weit unterhalb der statischen Festigkeit liegen kann. Je höher die Beanspruchung, desto kürzer die Lebensdauer.

2. Schwingfestigkeit

Auszug
Unter Ermüdung wird Werkstoffschädigung, Rißeinleitung und Rißfortschritt unter zeitlich veränderlicher, häufig wiederholter Beanspruchung verstanden. Der Beanspruchungsablauf kann ursächlich bedingt sein (deterministisch, periodisch oder aperiodisch), er kann aber auch mehr oder weniger zufallsbedingt, also regellos (stochastisch) sein. Bei konstanter Beanspurchungsamplitude wird auch von schwingender Beanspruchung gesprochen. Die schwingende Beanspruchung kann relativ zu einer ruhenden oder veränderlichen Mittelbeanspruchung auftreten. Ermüdungsfestigkeit ist die gemäß Versagenskriterium bei begrenzter oder unbegrenzter Schwingspielzahl ertragbare Beanspruchungsamplitude. Als Versagenskriterium kann gewählt werden: ein Anriß definierter Größe, der vollständige Bruch der Probe oder ein bestimmter Steifigkeitsabfall des Bauteils durch den fortschreitenden Riß.

3. Einflüsse auf die Schwingfestigkeit

Auszug
Die Dauerfestigkeit einer Probe oder eines Bauteils hat eine überaus große Variationsbreite. Sie ist abhängig von der Werkstoffart und dem Werkstoffzustand, der Oberflächengüte, der Proben- oder Bauteilgröße, der Belastungsart, der Temperatur, dem Korrosionseinfluß, der Mittelspannung und Eigenspannung sowie der Spannungskonzentration. Die Variationsbreite beträgt etwa 1–70% der Zugfestigkeit [29]. Nur 1% der Zugfestigkeit werden beispielsweise von einer scharf gekerbten Probe aus hochfestem Stahl in korrosiver Umgebung bei Wechselbeanspruchung erreicht. Andererseits können 70% der Zugfestigkeit bei einer mild gekerbten Probe aus niedrigfestem Stahl in inerter Atmosphäre erzielt werden, sofern die Druckeigenspannungen in der Oberfläche genügend hoch sind. Der eigentliche Werkstoffkennwert Dauerfestigkeit bezieht sich auf relativ kleine ungekerbte und polierte Proben bei 106–108 Schwingspielen unter Laborbedingungen. Die nachfolgenden Angaben in Kap. 3 betreffen überwiegend diesen Fall, während in Kap. 4 die Kerbwirkung und in Kap. 5 die Betriebsfestigkeit folgt. Auf die in Kap. 2 bereits genannten Einflüsse sei ergänzend hingewiesen.

4. Kerbwirkung

Auszug
Die Kerbwirkung, aufgefaßt zunächst als örtliche Beanspruchungserhöhung durch Kerben, ist für die Schwingfestigkeit von ausschlaggebender Bedeutung. Neben der Werkstoffestigkeit interessiert daher die Gestaltfestigkeit (zum Begriff s. Kap. 1.3). Dies gilt insbesondere für die Dauerfestigkeit bei nicht zu hoher Mittelspannung. Sie wird durch Kerben im Ausmaß von deren Spannungserhöhung (allerdings unterproportional je nach Kerbempfindlichkeit) herabgesetzt. Dies ist darin begründet, daß die Rißeinleitung bei Ermüdung ein äußerst lokaler Vorgang ist, bei dem die Gegebenheiten in der Umgebung der Kerbe nur sekundäre Bedeutung haben, im Gegensatz zur anschließenden Makrorißvergrößerung.

5. Betriebsfestigkeit

Auszug
Der Beanspruchungsablauf, ausgedrückt durch eine Beanspruchung-Zeit-Funktion, insbesondere aber die Beanspruchungsamplitudenfolge ist für die Ermüdungsfestigkeit und Lebensdauer von ausschlaggebender Bedeutung. Neben der Schwingfestigkeit bei zeitlich konstanter Beanspruchungsamplitude, dargestellt im Wöhler-Versuch, interessiert daher die Schwingfestigkeit bei zeitlich veränderlicher Beanspruchungsamplitude, dargestellt im Betriebsfestigkeitsversuch. Die Lebensdauer im Betriebsfestigkeitsversuch kann die Lebensdauer im Wöhler-Versuch bei gleicher maximaler Beanspruchungsamplitude um mehrere Zehnerpotenzen übersteigen. Die bei gleicher Schwingspielzahl ertragbare maximale Beanspruchungsamplitude kann auf ein Mehrfaches erhöht sein.

6. Langrißbruchmechanik zur Ermüdungsfestigkeit

Auszug
Der Ermüdungsvorgang, aufgefaßt als Rißbildung, unterteilt sich in die Phasen der Rißeinleitung, des stabilen zyklischen Rißfortschritts und des instabilen Restbruchs, Abb. 6.1. Rißeinleitung umfaßt die Versetzungsbewegung in den Gleitebenen mit darauffolgenden Werkstofftrennungen an den Gleitbändern in Bereichen kleiner als die Korngröße. Die Gleitbänder entstehen bevorzugt an Stellen örtlicher Spannungserhöhung, d. h. an Kerben, Werkstoffimperfektionen, Einschlüssen, Hohlräumen und schon vorhandenen Anrissen. Ein wachstumsfähiger Mikroriß (oder Kurzriß) wird spätestens dann erreicht, wenn die Rißlänge ungefähr der Korngröße entspricht. Der Mikroriß vergrößert sich stabil mit der Schwingspielzahl und durch Vereinigung mit benachbarten Mikrorissen, um zunächst den beginnenden Makroriß (oder Langriß) mit Abmessungen in der Größenordnung 1 mm zu bilden. Erfahrungsgemäß wird ein größerer Teil der Betriebslebensdauer im Kurzrißstadium und nur ein kleinerer Teil im Langrißstadium verbracht. Schließlich tritt bei hinreichender Rißlänge der duktile Restbruch durch statische Überlastung des Restquerschnitts auf. Bei weniger duktilem Werkstoff kann der spröde Restbruch bereits vom Kurzriß ausgehen.

7. Kurzrißbruchmechanik zur Ermüdungsfestigkeit

Auszug
Der typische Kurzriß ist ein etwa halbkreisförmiger Oberflächenriß. Den Kurzrissen werden die Rißgrößen unter etwa 0,5 mm Rißtiefe bzw. unter etwa 1 mm Rißlänge an der Oberfläche zugeordnet. Da mit praxisüblichen zerstörungsfreien Fehlerprüfverfahren nur Fehlergrößen über 0,5 mm sicher ermittelt werden, ist das Kurzrißverhalten im Hinblick auf Sicherheitsbetrachtungen, die auf derartigen Prüfergebnissen aufbauen, weitgehend bedeutungslos. Es hat dagegen große Bedeutung (vorerst mehr wissenschaftlich als praktisch) für die Abschätzung der Lebensdauer bis zum technischen Anriß von Bauteilen und Proben unter komplexen Form- und Beanspruchungsbedingungen. Dabei ist zu beachten, daß der technische Anriß in der Regel etwas größer als die Obergrenze des Kurzrisses definiert wird.

8. Rechnerischer Nachweis der Ermüdungsfestigkeit

Auszug
Der Nachweis ausreichender Ermüdungsfestigkeit bzw. Betriebslebensdauer erfolgt überwiegend mit rechnerischen Methoden, in der Regel unter Verwendung eines Computers. Versuchstechnische Methoden werden zunehmend nur noch ergänzend eingesetzt, um die Wirklichkeitsnähe der Berechnungsergebnisse zu bestätigen bzw. um die Berechnungsmethoden entsprechend zu skalieren. Rechnerische Nachweise lassen sich bereits im Entwurfsstadium eines Bauteils ausführen, zur Vorbereitung grundsätzlicher Konstruktionsentscheidungen ebenso wie zur späteren Konstruktionsoptimierung. Rechnerische Nachweise sind weniger aufwendig als Versuche und lassen sich schnell und kostengünstig abwickeln.

Backmatter

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