Stresskonzentration

Stresskonzentration beschreibt die lokale Vergrößerung der Spannungen in einem Bauteil, die durch geometrische Unregelmäßigkeiten, Materialfehler oder Oberflächenbeschaffenheiten verursacht wird. Während die nominale Spannung über den Querschnitt gemessen wird, können an Kerben, Bohrungen, Gewinden, scharfen Kanten oder abrupfen Querschnittswechseln deutlich höhere Spannungen auftreten. Diese lokalen Spitzen fördern vor allem die Rissbildung und Verkürzung der Lebensdauer des Bauteils.

Kernelemente des Konzepts sind der theoretische Stresskonzentrationsfaktor Kt und der Fatigue-Stresskonzentrationsfaktor Kf. Kt beschreibt das Verhältnis der maximalen Spannung an der kritischsten Stelle zur nominalen Spannung. Kf berücksichtigt zusätzlich die Empfindlichkeit des Materials gegenüber Kerben (Notch-Sensitivity) und kann aus Kt über Kf = 1 + q (Kt − 1) bestimmt werden, wobei q der Kerbempfindlichkeitsgrad ist. q hängt von Material, Wärmebehandlung, Oberflächenzustand und Kerbengeometrie ab.

Auswirkungen und Anwendung: Stresskonzentrationen mindern die Tragfähigkeit und insbesondere die Ermüdungslebensdauer eines Bauteils. Im Design wird deshalb auf glatte Übergänge, großzügige Radien an Kerben, ausreichende Wanddicken, geeignete Oberflächenbearbeitung und das Vermeiden von scharfen Ecken geachtet. Ingenieure verwenden Finite-Elemente-Analysen, experimentelle Messungen und Tabellenwerte für Kt-Kennwerte, um das lokale Spannungsniveau abzuschätzen.

Vermeidung und Minderung umfassen radiale oder longitudinale Fillets, Oberflächenglätten, Spannungsentlastung durch Wärmen oder Arbeiten, sowie Auswahl materialiuntests, die Notch-Toughness berücksichtigen.