Ermittlung der Werkstoffermüdung
Werkstoff- oder Materialermüdung wird neben der statischen oder niederfrequenten Belastung vermehrt durch schwingende, d.h. dynamische Belastung auftreten. Die Spannung, bei der ein dynamisch belastetes Bauteil bricht, liegt i.d.R. deutlich unterhalb der Zugfestigkeit und meist auch unterhalb der Streckgrenze des verwendeten Werkstoffs – statische Werkstoffuntersuchung, meist mittels Zugversuch oder Zeitstandversuche. Die Schwingfestigkeit von Werkstoffen oder Bauteilen wird im Wöhler- oder im Gaßnerversuch ermittelt. Hierfür werden die meist eindimensional belastbaren Versuchskörper einer zyklischen Beanspruchungs-Zeit-Funktion ausgesetzt. Der Versuch läuft, bis ein definiertes Versagen (Bruch, Anriss) eintritt oder eine festgelegte Grenzschwingspielzahl erreicht wird – siehe auch DIN 50100. Die Ergebnisse des Versuchs trägt man in ein doppellogarithmisches Diagramm ein. Den sich ergebenden Kurvenzug nennt man die Wöhlerkurve oder auch Wöhlerlinie – Pendent dazu sind die Lebensdauerkurve im Gaßner-Versuch.
Schwingspielzahl und Bereichseinteilung
Die aktuelle Norm kennt 3 Bereiche, die die Belastungs-Nutzungsgrenze einteilen:
· den Bereich der Kurzzeitfestigkeit bzw. Kurzzeitschwingfestigkeit oder Low-Cycle Fatigue (LCF). Um diesen Bereich genauer darzustellen, wird in der Regel die Coffin-Manson-Auftragung herangezogen. Schwingspiele bis ca. N = 104 Zyklen(1)
· den Bereich der Zeitfestigkeit bzw. Zeitschwingfestigkeit oder High-Cycle Fatigue (HCF), in dem die Wöhlerkurve bei doppellogarithmischer Darstellung nahezu gerade verläuft (Basquin-Gleichung). Schwingspiele bis ca. N = 5x106 Zyklen(1)
· Den Bereich der technischen Dauerfestigkeit oder Long-Life-Fatgue (LLF). Aktuelle Studien zeigen jedoch, dass es eine „echte“ Dauerfestigkeit nicht gibt. Aktuelle Sollabbruchgrenze der Versuche bei Schwingspielen bis ca. N = 1x107 Zyklen(1)
Erweiterte Studien zeigen, dass es oberhalb des LLF-Bereiches weitere Kurven gibt. Dieser Bereich wird als Very-High-Cycle Fatigue (VHCF) bezeichnet. Diesen Bereich messtechnisch sinnvoll zu erfassen ist insbesondere für Flachbiegewechselbelastung eine technische Herausforderung. Hier geht es mehrheitlich um beschleunigte Versuche. Der Beschleunigungsfaktor darf das dominierende Schädigungsverhalten nicht verändern. Stichworte hier sind Frequenzabhängigkeit der Ermüdung und Rekristallisationsprozesse bei Verwendung höherer Temperaturen (Arrhenius-Ansatz).
Es wird also in Zukunft eher ein n-Slope Modell für die Schwingfestigkeitskurve geben. Der Parameter n steht dann für die Anzahl der Bereiche der Ermüdung. Aktuell geht man von einem n=4 und damit 4-Slope-Modell aus.
Ermüdung in der Anwendung Industrie 4.0
Ziel der Werkstoffuntersuchung sind Bewertungsansätze für Systeme zur Anwendung in dem Condition Monitoring und predictive maintenance. Aktuell wird angezweifelt, ob bewährte Modelle wie das Spannungs-Dehnungs-Modell (mechanisches Feststoffmodell) der klassischen Materialtheorie und das lokale Spannungskonzept sowie Methoden wie die Methoden der linearen Schadensakkumulation nach Palmgren, Langer und Miner noch Gültigkeit besitzen. Alternative Ansätze sind Mehr-Kurven-Modelle wie bspw. das 4-Slope-Modell (wobei der LCF-Bereich i.d.R. ausgespart ist) mit Einbeziehung der Memory-Effekte nach Masing und zyklische Spannungs-Dehnungs-Modelle nach Neuber und Seeger/Heuler sowie Siebel und Stiehler. Als Berechnungsmodell soll das Kerbgrundkonzept bevorzugt angewandt werden. Als Konsequenz wird prognostiziert, dass die Schadensanalyse und Schadensberechnung im Sinne „predictive“ nicht mehr nach der linearen Schadensakkumulation gemäß Miner-Regel durchgeführt werden kann.
Ermüdung von additiv gefertigten Werkstücken
aktuelle Forschungs- und Entwicklungsschwerpunkte sind additiv gefertigte Werkstoff-Prozess-Systeme für präzisionsoptische Anwendungen in bspw. kinematischen Ketten oder kühlbare Strukturbauteile. V.a. die Werkstoff-Prozess-Entwicklung nimmt hier eine zentrale Rolle ein. Die Schwingfestigkeitsprüfung zeigt hierbei, wie zuverlässig ein Werkstoffprozess in eine Struktur oder Komponente überführt werden kann. Die statistische Versuchsplanung und statistische Auswertung der Werkstoffuntersuchung kommt hier zentral zur Anwendung.
(1) Abhängig vom Werkstoffsystem, von der Wärmebehandlung, von der Oberflächenbeschaffenheit sowie Fertigungsverfahren und insbesondere von der Belastungsart