Oberflächenermüdungsrisse

Oberflächenermüdung, auch als Oberflächenermüdungsbruch bezeichnet, ist eine Form der Ermüdung, bei der sich zyklische mechanische Beanspruchung an der Bauloberfläche konzentriert. Dadurch können Risse entstehen, die sich von der Oberfläche aus ausbreiten und schließlich zum Versagen des Bauteils führen. Sie tritt vor allem in Metallen und Verbundwerkstoffen auf, wo Oberflächenrauhigkeit, Korrosion, Temperatur und Lastspectra eine Rolle spielen.

Ursachen und Mechanismen: Oberflächennahe Spannungen, Spitzen an der Oberfläche, Einschluss- oder Defektstellen sowie residuale Spannungen begünstigen die Rissinitiierung an der Oberfläche. Schlechte Oberflächenqualität, Partikelverunreinigungen oder Umgebungsfaktoren wie Feuchtigkeit können die Ermüdungsgeschwindigkeit erhöhen. Nach der Initiierung breiten sich Risse unter zyklischer Belastung entlang der Oberflächenschicht aus, bevor das Schadensereignis zum endgültigen Bruch führt. Unterschiede zu innerer Ermüdung liegen im Ursprung der Rissbildung (Oberfläche vs. inneres Volumen).

Diagnose und Lebensdauer: Die Lebensdauer wird häufig mit S-N-Kurven und zyklischen Belastungstests ermittelt. Zerstörungsfreie Prüfmethoden wie magnetische Partikelprüfung, Eindringprüfung oder Wirbelstromprüfungen helfen, Oberflächenfehler zu erkennen. Für Bauteile mit hohen Anforderungen ist die Berücksichtigung von Oberflächenzustand (Glättung, Verfestigung) entscheidend.

Prävention und Gestaltung: Maßnahmen umfassen Oberflächenbearbeitung (Rauheit reduzieren), Druckverfestigung durch Peening (Kugelstrahlen), Schutzbeschichtungen und gezielte Wärmebehandlungen. Designaspekte wie Minimierung von Stresskonzentrationen, geeignete Werkstoffauswahl und Lastkonturen tragen ebenfalls zur Verringerung der Oberflächenermüdung bei.

Bedeutung: Oberflächenermüdung ist eine zentrale Versagensursache in Luft- und Raumfahrt, Automobil, Energieerzeugung und Maschinenbau. Vermeidung erfordert eine ganzheitliche Berücksichtigung von Material, Oberflächenzustand, Belastungsszenarien und Wartung.