Änderung der Ermüdungseigenschaften von Metallen

Bei der Initiierung von Ermüdung an einem Metallkörper müssen zahlreiche Faktoren berücksichtigt werden, um die Ausbreitung zu behindern oder die Initiierung zu hemmen. Unter den zyklischen Belastungen können selbst mikroskopisch kleine Risse zu Ermüdungsversagen in Metallkörpern führen. Daher tragen mehrere Gründe zur Entstehung und zum Fortschreiten dieser Risse bei. Die Bedeutung der Oberflächeneigenschaften für die Ermüdungseigenschaften und die Lebensdauer des Metalls ist nicht übertragbar, da die Initiierung der Risse meist an der Oberfläche der Metallkörper stattfindet. Daher ist einer der wichtigsten Parameter, der die Ermüdungseigenschaften und die Lebensdauer beeinflusst, die Oberflächenbeschaffenheit der Metalle.

Die Oberflächeneigenschaften der Metalle können durch metallurgische Verunreinigungen, mechanische Eigenschaften und Nachbehandlungen, die aus verschiedenen Gründen am Metall vorgenommen werden, beeinflusst werden. Neben den Oberflächeneigenschaften müssen jedoch auch andere entscheidende Parameter für die Ermüdungseigenschaften diskutiert werden. Diese Parameter können als angewandte mittlere Spannungen und Umwelteinflüsse genannt werden. Die Höhe der auf den Metallkörper aufgebrachten Spannung kann über den Verlauf der Ermüdung im Metallkörper entscheiden. Das Fortschreiten der Ermüdung ist für ingenieurtechnische Betrachtungen von entscheidender Bedeutung, da die Erkennung der Ermüdung am Metallkörper auch für die Vermeidung von katastrophalen Ausfällen entscheidend ist. 

Die Beanspruchung eines Metallkörpers muss vor der Verwendung der technischen Komponenten gut berechnet werden. Neben den Brucheigenschaften eines Metalls sind die Höhe der Maximal- und Minimalspannungen an dynamischen Bauteilen von wesentlicher Bedeutung für die Ermüdungseigenschaften. Das Spannungskonzept für die Ermüdungseigenschaften der Metalle hat mehrere Unterthemen, die als Spannungsamplitude, mittlere Spannung, Spannungsverhältnis, maximale und minimale Spannungen angegeben werden können. Der Betrag der Spannungsamplitude auf der Wiederholungszahl ist unvermeidlich. Man kann die Beziehung zwischen der Spannungsamplitude und der Zykluszahl verstehen, indem man die S-N-Kurven untersucht. Wenn die angewandte Spannungsamplitude abnimmt, steigt die Anzahl der Belastungen (Anzahl der Zyklen oder Nf). Daher können die Ermüdungseigenschaften des Metalls verbessert werden, indem Spannungen mit kleiner Amplitude auf Metallkörper angewendet werden.

Für eisenhaltige Metalle kann eine Ermüdungsgrenze durch die Verwendung von notwendigen Ermüdungsversuchen festgestellt werden. Daher kann für Metalle eine sichere Zone, in der kein Ermüdungsversagen möglich ist, für entsprechende Spannungsamplitudenwerte bestimmt werden. Im Gegensatz zu den Eisenmetallen gibt es bei den Nichteisenmetallen keine Dauerfestigkeitsgrenze, jedoch stärkt die Verringerung der Spannungsamplitude auch die Ermüdungseigenschaften für diese Metalle. Der Einfluss der mittleren Spannung muss ebenfalls berücksichtigt werden. Die Erhöhung des Betrags der mittleren Spannung reduziert direkt die Ermüdungslebensdauer oder die Anzahl der Zyklen des belasteten Teils. Die Beiträge der verschiedenen Spannungsterme können für die Bauteile nachteilig sein. Bisher wird der Einfluss der Spannungen auf die Anzahl der Zyklen bis zum Versagen diskutiert.

Die Wirkung der Nennspannungen muss jedoch untersucht werden, um die Auswirkungen der Spannungen auf die Ermüdungseigenschaften zu verstehen. Die Schritte des Ermüdungsmechanismus können als Initiierung, Ausbreitung und endgültiger Bruch angegeben werden. Der Einleitungsschritt deckt einen kleinen Bereich auf der fraktographischen Oberfläche ab, verglichen mit den Bereichen der Ausbreitung und des endgültigen Bruchs. Die Ausbreitungszone weist Benchmarks auf, die für Ermüdungsbrüche charakteristisch sind. Wenn die kritische Risslänge in der Ausbreitungszone erreicht wird, tritt plötzlich ein endgültiger Bruch auf. Daher sind für die Vermeidung der plötzlichen Brüche an den technischen Metallen die größeren Ausbreitungszonen für die Experten wünschenswert. Für dasselbe Metall unterscheiden sich die Ausbreitungs- und Endbruchzonen für verschiedene Spannungsbeträge. Das gleiche Material, unter niedriger Nennspannung, führt eine Bruchfläche mit einer höheren Ausbreitungszone aus.

Im Gegensatz dazu weist derselbe Werkstoff unter hoher Nennspannung kleinere Propagationszonen und größere Endbruchzonen auf. Wie unten erwähnt, ist die Ausbreitungszone charakteristisch für Ermüdungsbrüche und wünschenswerter als die großen Bruchzonen, da sie Benchmarks (Muschelmarken) aufweisen. Daher ist die Erkennung der Rissausbreitung bei den niedrigen Nennspannungen einfacher. Die folgende Abbildung zeigt den Unterschied zwischen den Ausbreitungs- und Bruchzonen für niedrige und hohe Nennspannungen. 

Ermüdungseigenschaften - Bruchflächen unter hohen und niedrigen Nennspannungen. Die Ausbreitungszonen sind durch die gekrümmten Linien zu erkennen.

Abbildung 1. Bruchflächen unter hohen und niedrigen Nennspannungen. Die Ausbreitungszonen sind durch die gekrümmten Linien zu erkennen. Die glatte schwarze Zone stellt die endgültigen Bruchzonen dar. Der Unterschied zwischen Ausbreitungs- und Bruchzonen für hohe und niedrige Nennspannungen ist offensichtlich. Fastener Fatigue | Fastenal. (2020). Abgerufen im Dezember 2020, von https://www.fastenal.com/en/3289/fastener-fatigue

Für weitere Informationen lesen Sie bitte: Metal Fatigue – Wöhler Plot and Mechanisms
Lesen Sie weiter: Important Parameters for Fatigue Life

Referenzen

  1. Callister, W. (2001). Fundamentals of materials science and engineering (9th ed., pp.271,280). New York: Wiley
  2. Milella, P. (2013). Fatigue and Corrosion in Metals (1st ed.). Milano: Springer
  3. Hosford, W. (1993). The mechanics of crystals and textured polycrystals. New York: Oxford University Press.
  4. FATIGUE PHYSICS | Fatigue Life LLC. (2020). Retrieved December 2020, from https://fatigue-life.com/fatigue-physics/

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