Bauteilermüdung

Bauteilermüdung bezeichnet die progressive Schädigung eines Bauteils durch zyklische Beanspruchung, bei der sich Risse an lokalen Spannungs concentratoren bilden und sich unter wiederholter Belastung ausbreiten. Oft liegen die Belastungen deutlich unter der statischen Werkstoffgrenze, dennoch kann es zum Versagen kommen, wenn der Riss eine kritische Größe erreicht.

Der Ermüdungsprozess verläuft üblicherweise in drei Phasen: Initiation des Risses an einer Schwachstelle oder einer Oberflächenunregelmäßigkeit, anschließende Rissausbreitung unter zyklischer Beanspruchung und schließlich der Bruch, sobald der Riss die Bauteilwand durchdrungen hat. Die Rissausbreitung kann durch das Paris-Gesetz beschrieben werden, das die Wachstumsrate da/dN in Abhängigkeit von DeltaK (Spannungsintensitätssatz) angibt. DeltaK_th kennzeichnet eine Einleitungsgrenze, ab der Rissentwicklung stattfindet, während K_IC die Bruchzähigkeit des Materials beschreibt.

Typisch unterscheidet man Hochzyklische Ermüdung (HCF) und Niedrigzyklische Ermüdung (LCF). Bei vielen Stählen existiert eine Dauerfestigkeit (Endurance limit) unterhalb der, der sich zyklisch belastete Werkstoff nicht unendliche Lebensdauer sichern lässt; bei Aluminium- und vielen Nichteisenlegierungen ist eine solche klare Grenze oft nicht vorhanden.

Lebensdauerabschätzung erfolgt über S-N-Kurven (Wöhler-Kurven) oder durch bruchmechanische Ansätze, die DeltaK und Risswachstum berücksichtigen. Mittelspannungsanteile beeinflussen die Ermüdung, weshalb Designregeln wie Goodman- oder Gerber-Kurven Anwendung finden. Zur Missvermeidung von Ermüdung tragen eine rediente Kerbenhöhe, runde Konturen, geeignete Oberflächenbehandlung (z. B. Schockpeening), saubere Oberflächen, Materialwahl, korrekte Montage und ausreichende Schmierung bei bewegten Teilen.

Typische Prüfmethoden umfassen S-N-Tests, Rotationsbiegeversuche und Risswachstumsuntersuchungen, aus denen Kurven und Sicherheitsfaktoren abgeleitet werden.