Niederzyklusermüdung

NiederzyklusErmüdung, englisch low-cycle fatigue (LCF), bezeichnet die Ermüdung von Werkstoffen infolge zyklischer Beanspruchung mit relativ großen Dehnungen, sodass plastische Verformungen auftreten. Die Lebensdauer liegt typischerweise im Bereich weniger Tausend bis Zehntausend Zyklen; unter bestimmten Bedingungen können es bis zu 10^4–10^5 Zyklen sein, deutlich weniger als bei der Hochzyklus-Ermüdung (HCF), die meist elastisch erfolgt und eine viel größere Zykluszahl erreicht.

LCF wird oft durch strain-controlled Tests charakterisiert; die Spannungs-Dehnungs-Hysterese ist nichtlinear und zeigt je nach Material zyklische Härteentwicklung (Härterung oder Weichung). Hohe plastische Dehnung kann zu zyklischer Härtezunahme oder -abnahme führen. Mechanismen des Schadens umfassen die Initiierung von Rissen an Oberflächen oder in Mikro-Inhomogenitäten (z. B. Einschlüsse, Korngrenzen) sowie die kumulative Plastizität, Dislokationsaufbau und, bei höheren Temperaturen, adiabatische Erhitzung durch plastische Arbeit.

Die Lebensdauer im Niederzyklusbereich wird häufig durch das Coffin–Manson-Gesetz beschrieben, das den plastischen Dehnungsbereich Δε_p mit der Zyklenzahl verbindet: Δε_p/2 = ε_f' (2N_f)^c. Der elastische Anteil des Gesamtdehnungsumfangs Δε_e ≈ σ_a / E wird oft additiv berücksichtigt, sodass Δε = Δε_p + Δε_e. Alternativ kommen kombinierte Modelle wie Coffin-Marris oder Morrow-Relationen zur Anwendung.

Anwendungsrelevant ist NiederzyklusErmüdung in Bauteilen, die hohen Lastwechseln und plastischen Deformationen ausgesetzt sind, etwa in der Luftfahrt, im Automotive-Bereich oder im Maschinenbau. Prüfungen erfolgen typischerweise strainen-kontrolliert, um sowohl plastische Zyklen als auch Temperatureinflüsse angemessen abzubilden.