Ermüdungsfestigkeit beschreibt die Fähigkeit eines Materials, wiederholte oder wechselnde Belastungen ohne vorzeitigen Bruch zu überstehen. Anders als bei statischen Belastungen, bei denen eine konstante Last auf das Material wirkt, tritt bei Ermüdungsbelastungen eine zyklische oder wechselnde Belastung auf, die im Laufe der Zeit zu Rissen und schließlich zum Bruch führen kann, selbst wenn die Spannung weit unter der Streckgrenze des Materials liegt.

Ursachen von Ermüdungsversagen

Ermüdungsversagen tritt auf, wenn ein Material wiederholt oder kontinuierlich wechselnden Belastungen ausgesetzt ist. Diese wiederholte Beanspruchung kann Mikrorisse in der Materialoberfläche erzeugen, die sich mit der Zeit ausbreiten und schließlich zu einem Bruch führen. Der Prozess des Ermüdens verläuft in mehreren Phasen:

1. Initiierung von Mikrorissen: Kleine Risse entstehen in der Oberfläche des Materials, typischerweise an Stellen, die kleinen Unregelmäßigkeiten, Kratzern oder Materialfehlern unterworfen sind.
2. Wachstum der Risse: Mit jedem Belastungshub wächst der Mikroriss allmählich. Diese Risse wachsen in der Regel bei den maximalen Belastungen, die während des Zyklus auftreten.
3. Bruch: Schließlich erreicht der Riss eine kritische Größe, und das Material bricht, obwohl die Belastung immer noch unter der statischen Bruchgrenze liegt.

Einflussfaktoren auf die Ermüdungsfestigkeit

Mehrere Faktoren beeinflussen die Ermüdungsfestigkeit eines Materials:

• Lastamplitude: Die Größe der zyklischen Belastung spielt eine entscheidende Rolle. Höhere Lasten führen schneller zu Ermüdungsrissen.
• Belastungsfrequenz: Eine hohe Frequenz der zyklischen Belastung führt zu einer schnelleren Ermüdung, da weniger Zeit für die Regeneration oder Erholung der Struktur zwischen den Lastzyklen besteht.
• Oberflächenqualität: Unregelmäßigkeiten an der Oberfläche, wie Kratzer, Riefen oder Unvollkommenheiten, können als Startpunkte für Risse fungieren. Glatte Oberflächen erhöhen daher die Ermüdungsfestigkeit.
• Materialeigenschaften: Werkstoffe mit höherer Festigkeit und Zähigkeit, wie gehärteter Stahl oder Titan, zeigen oft eine bessere Ermüdungsfestigkeit. Auch die Korngröße und das Vorhandensein von Legierungselementen können die Ermüdungsfestigkeit beeinflussen.
• Umwelteinflüsse: Faktoren wie Temperatur, Feuchtigkeit oder chemische Einflüsse können das Ermüdungsverhalten von Materialien beeinflussen. Korrosion zum Beispiel beschleunigt den Risswachstumsprozess.
• Spannungsrückstände: Restspannungen, die durch Fertigungsprozesse wie Schweißen oder Schmieden entstehen, können die Ermüdungsfestigkeit negativ beeinflussen. Spezielle Wärmebehandlungen oder Oberflächenbehandlungen wie das Schließen von Mikrorissen (z. B. durch Schockhärten) können die Festigkeit erhöhen.

Untersuchungen des Ermüdungsversagen – Schadensanalysen auf ticsonar.de

Fraktographischen Untersuchung von Brüchen und Rissen – ticsonar