18.8: Müdigkeit

Ermüdung entsteht, wenn Materialien unter wiederholter oder schwankender Belastung reißen, selbst bei Belastungen, die weit unter ihrer statischen Bruchfestigkeit liegen. Dies führt typischerweise zu sprödem Versagen, selbst bei duktilen Materialien. Dies ist ein entscheidender Gesichtspunkt bei der Konstruktion von Maschinen und Strukturkomponenten, die wiederholten oder wechselnden Belastungen ausgesetzt sind. Die Art dieser Belastungen kann von schwankenden Belastungen wie unausgeglichenen Pumpenlaufrädern, die Vibrationen verursachen, bis hin zum wiederholten Hin- und Herbiegen eines dünnen Stahldrahts an derselben Stelle reichen, was zu Ermüdungsversagen führen kann.

Die Anzahl der Belastungszyklen, die erforderlich sind, um ein Versagen einer Probe zu verursachen, kann für jedes maximale Spannungsniveau experimentell ermittelt werden. Es führt zu einer Kurve der Belastung gegenüber der Anzahl der Belastungszyklen und liefert wichtige Einblicke in die Ermüdungseigenschaften des Materials. Beispielsweise zeigt die typische Belastungskurve gegenüber der Anzahl der Belastungszyklen für Stahl, dass bei Anwendungen mit hoher Belastung weniger Zyklen erforderlich sind, um einen Bruch zu verursachen. Mit abnehmender Maximalbeanspruchung nimmt jedoch die Anzahl der zum Bruch erforderlichen Zyklen zu, bis die Dauerfestigkeit erreicht ist. Es ist wichtig zu beachten, dass Ermüdungsversagen oft bei einem mikroskopischen Riss oder einer Unvollkommenheit beginnt und sich fortpflanzt, bis das Material die maximale Belastung nicht mehr tragen kann. Bearbeitete und polierte Proben weisen tendenziell eine höhere Lebensdauer auf als gewalzte, geschmiedete oder korrodierte Komponenten.

Ermüdung tritt auf, wenn die Materialien unter wiederholten Belastungen über Tausende oder Millionen von Zyklen bei einem Spannungsniveau reißen, das weit unter der Bruchfestigkeit des Materials liegt.

Das Ermüdungsversagen weist eine Sprödigkeit auf, selbst bei normalerweise duktilen Materialien.

Ermüdung kann durch schwankende Lasten entstehen, wie z. B. kontinuierliches Biegen von dünnen Stahlstangen oder Drähten an der gleichen Stelle oder Vibrationen, die durch unwuchtige Pumpenlaufräder erzeugt werden.

Das Diagramm "Spannung in Abhängigkeit von der Anzahl der Belastungszyklen" für Stahl zeigt, dass Anwendungen mit hoher Beanspruchung weniger Zyklen erfordern, um einen Bruch zu verursachen. Mit abnehmender maximaler Belastung nimmt jedoch die Anzahl der Zyklen zu, die für einen Bruch erforderlich sind.

Das Belastungsniveau sinkt bis zur Dauerfestigkeitsgrenze, an der es auch bei unendlich vielen Belastungszyklen nicht zu einem Ausfall kommt.

Bei Nichteisenmetallen wie Aluminium nimmt die Versagensspannung mit zunehmender Belastungszyklen ab.

Ermüdungsversagen beginnt oft bei mikroskopisch kleinen Unvollkommenheiten und nimmt zu, bis das Material unter Belastung versagt. Die Oberflächenbedingungen wirken sich erheblich auf die Lebensdauer aus, da sich die bearbeiteten Proben als langlebiger erweisen.

• Fatigue - Failure of materials under repeated or fluctuating loads.
• Brittle Failure - Sudden fracturing of materials, often due to fatigue.
• Endurance Limit - Maximum stress a material can endure indefinitely without causing failure.
• Loading Cycles - Repeated or fluctuating loads applied to materials.
• Fatigue Properties - Material characteristics that influence susceptibility to fatigue.

• Define Fatigue – Understand material failure due to repeated or fluctuating loads (e.g., fatigue).
• Contrast Brittle Failure vs Fatigue – Identifying differences between these fails (e.g., brittle failure vs fatigue).
• Explore Fatigue Examples – Study cases of materials failures (e.g., wiring fatigue).
• Explain Cyclic Loading Process – Understand how repeated loadings impact material strength.
• Apply Endurance Limit in Context – Understand the concept applied to material selection and design.

• What is fatigue and how does it occur in materials?
• What is an endurance limit and why is it important in selecting materials?
• How do loading cycles lead to fatigue failure?

• Students – Gain insight into the key concept of material fatigue, useful for material science education.
• Educators – Provides a clear grasp of fatigue, aiding in teaching mechanical or material engineering.
• Researchers – Gains a deeper understanding on fatigue, enhancing their efforts in materials research.
• Engineering Enthusiasts – Provides insights into the impact of fatigue on materials, useful for a broader understanding of the subject.