Ermüdungs

Ermüdung bezeichnet im Ingenieurwesen die schädigende Wirkung wiederholter Belastung auf einen Werkstoff oder ein Bauteil, die zu Versagen führen kann, obwohl die einzelnen Lastintervalle die statische Tragfähigkeit nicht überschreiten. Typisch bildet sich zuerst ein Riss an Spannungskonzentrationen, der sich bei jeder Lastwechselung weiter ausbreitet, bis der Bauteil endgültig versagt.

Der Ermüdungsprozess erfolgt zyklisch: Während vieler Zyklen steigt die Schadenshöhe schrittweise, bis der Riss lebensdauerbedingt eine kritische Größe erreicht. Lebensdauer wird in der Regel durch die Anzahl der Lastwechsel N bis zum Versagen beschrieben. S-N-Kurven (Spannungsamplitude gegen Lebensdauer) veranschaulichen diesen Zusammenhang; bei vielen Materialien lässt sich die Rissausbreitung durch Modelle wie das Paris-Gesetz annähern.

Man unterscheidet Hochzyklische Ermüdung (HCF) mit vielen Zyklen und geringen Verformungen sowie Tiefzyklische Ermüdung (LCF) bei höheren Verformungen pro Zyklus. Einige Legierungen besitzen eine Ermüdungsgrenze (Endurance Limit), andere zeigen bei niedrigeren Spannungen dennoch eine fortschreitende Schädigung.

Ermüdung wird durch Tests wie Rotations- oder Axialbelastung, Vierpunktbiegen oder kombinierte Lastfälle charakterisiert. Aus experimentellen Lebensdauern lassen sich prognostische Kurven erstellen; zur Schadensakkumulation wird oft die Miner-Regel verwendet.

Wichtige Einflussfaktoren sind der Belastungsbereich, der Mittelspannungsanteil, Oberflächenqualität, Notchen, Umgebungsbedingungen, Temperatur und Korrosion sowie die Werkstoffstruktur. Design- und Verfahrensmaßnahmen zur Reduktion von Ermüdung umfassen Verringerung von Spannungsspitzen, Oberflächenbehandlungen (z. B. SchussPeening), Einführung von Restspannungen, materialauswahl und lebensdauerorientierte Wartung. Ermüdung spielt eine zentrale Rolle in Luftfahrt, Automobilbau und Maschinenbau.