Torsionsermüdung von Stählen bei sehr hohen Lastspielzahlen

Seit beinahe zwei Jahrhunderten beschäftigen sich Wissenschaftler und Ingenieure intensiv mit der Frage, weshalb eine große Anzahl an wiederholten Belastungen zur Schädigung oder gar zum Bruch von Werkstoffen führen kann, obwohl die Lasten unterhalb der statischen Festigkeit liegen. Dieses Phänomen, das als Materialermüdung bezeichnet wird, ist eines der Hauptursachen für das Versagen von Bauteilen und verursacht jährlich immense Schäden. Bei Lastspielzahlen, d.h. einer Anzahl sich wiederholender Belastungen, von über einer Milliarde kann es bereits bei relativ geringen Spannungen zum Bruch kommen. Zahlreiche Laborversuche wurden bisher durchgeführt, um das Versagen bei sehr hohen Lastspielzahlen zu untersuchen. In den Experimenten wurden jedoch vorwiegend einachsige Beanspruchungen aufgebracht, was bedeutet, dass Versuchsproben solange unter wiederholtem Zug und Druck belastet werden, bis sie brechen. Die tatsächliche Belastungsart zahlreicher Komponenten im Betrieb unterscheidet sich davon jedoch oftmals signifikant. Sprungfedern oder Kugellager, zum Beispiel, werden auf Torsion beansprucht. Auch können zusätzlich überlagerte statische Torsionsspannungen vorhanden sein, was einen sogenannten Mittelspannungseinfluss bewirkt. Laborversuche mit Torsionsermüdung bei verschiedenen Mittelspannungen im Bereich sehr hoher Lastspielzahlen wurde bislang jedoch nur vereinzelt durchgeführt. Deshalb ist es von großem wissenschaftlichem und technischem Interesse, die unter derartigen Belastungen wirkenden Schadensmechanismen zu identifizieren. Dieser Aufgabe wollen sich die Wissenschaftler im vorliegenden Projekt stellen. Konkret werden die Ermüdungseigenschaften zweier unterschiedlicher Stahlsorten untersucht. Für die Experimente wird daskürzlichentwickelte Torsions-Ultraschallermüdungsverfahrenseingesetzt, womit Versuchsproben in Eigenresonanz angeregt werden und bis zu 20 000 Lastzyklen pro Sekunde aufgebracht werden können. Dies ermöglicht Versuche bis zu einer Milliarde Lastspielen innerhalb von Stunden oder Tagen, die mit herkömmlichen Verfahren Monate bis Jahre dauern würden. Zusätzliche Versuche mit konventionellen servo-hydraulischen Versuchsanlagen sollen Aufschluss über mögliche Einflüsse des Prüfverfahrens auf die Messergebnisse geben. Die Entstehung von Ermüdungsrissen und das Wachstum sehr kurzer Risse nehmen den Großteil der Lebensdauer bis zum Bruch in Anspruch. Der genaue Ort der Rissbildung ist zuvor jedoch nicht bekannt, was eine Beobachtung sehr schwierig macht. Deshalb werden sehr kleine künstliche Defekte an der Probenoberfläche eingebracht, an denen sich während des Ermüdungsversuchs Risse bilden werden. In Verbindung mit dem Ultraschallermüdungsverfahren können zudem äußerst geringe Rissverlängerungen pro Lastspiel beobachtet werden. Die Ergebnisse der beschriebenen Experimente sollen zur Klärung der Frage beitragen, unter welchen Bedingungen ein Ermüdungsversagen auftritt und wann eine unendliche Lebensdauer zu erwarten ist.

Seit fast zwei Jahrhunderten beschäftigen sich Wissenschaftler und Ingenieure intensiv mit der Frage, weshalb eine große Anzahl an wiederholt aufgebrachten, unterhalb der statischen Festigkeit liegenden Belastungen zur Schädigung oder gar zum Bruch von Werkstoffen führen kann. Dieses Phänomen, das als Materialermüdung bezeichnet wird, ist eines der Hauptursachen für das Versagen von Bauteilen und verursacht jährlich immense Schäden. Selbst bei sehr geringen Belastungen kann es durch Akkumulation von über einer Milliarde Belastungszyklen zum Bruch kommen. Zahlreiche Laboruntersuchungen wurden durchgeführt, um das Versagen bei sehr hohen Belastungszyklen zu untersuchen. In den Experimenten werden jedoch meist ausschließlich reversierende, einachsige Lasten aufgebracht, was bedeutet, dass Versuchsproben solange unter wiederholtem Zug und Druck beansprucht werden, bis sie brechen. Die tatsächliche Belastungsart zahlreicher Komponenten im Betrieb unterscheidet sich davon jedoch signifikant. Sprungfedern oder Kugellager, zum Beispiel, werden auf Torsion beansprucht. Zusätzlich zur zyklischen Belastung können überlagerte statische Torsionsspannungen vorhanden sein. Systematische Torsionsermüdungsversuche mit überlagerten statischen Belastungen im Bereich sehr hoher Lastspielzahlen wurde bislang jedoch nur vereinzelt durchgeführt. Das Ziel des Projekts lag daher in der systematischen Untersuchung der Schadensmechanismen unter derartigen Belastungen. Konkret wurden die Ermüdungseigenschaften unterschiedlicher hochfester Stähle untersucht, wobei die Experimente vorwiegend mit dem kürzlich entwickelten Torsions-Ultraschallermüdungsverfahren durchgeführt wurden. Bei diesem Verfahren werden Versuchsproben in Eigenresonanz angeregt und dadurch bis zu 20.000-mal pro Sekunde wiederholt belastet. Dies ermöglicht die Durchführung von Versuchen bis zu einer Milliarde Lastzyklen innerhalb von Stunden oder Tagen, die mit herkömmlichen Verfahren Monate bis Jahre dauern würden. Die im Rahmen des Projekts gewonnenen Ergebnisse und Einsichten sind sowohl in wissenschaftlicher als auch technischer Hinsicht von großer Bedeutung. Es konnte unter anderem gezeigt werden, dass der Versagensmechanismus maßgeblich von der Belastungsart beeinflusst ist, was für eine sichere Abschätzung der ertragbaren Lasten von Bauteilen und Strukturen von größter Wichtigkeit ist. Unterschiede und Ähnlichkeiten der Bruchmechanismen, die unter axialer und torsionaler Beanspruchung auftreten wurden identifiziert und sowohl qualitativ als auch quantitativ beschrieben. Eine weitere wichtige Erkenntnis war, dass materialinhärente Fehler wie nichtmetallische Einschlüsse unabhängig von der Belastungsart potentiell schädigend sind, die Defekttoleranz jedoch stark von den statischen Festigkeiten des Werkstoffs und der speziellen Belastungsart abhängt. Diese Thematik wurde mithilfe von künstlichen, definiert in Versuchsproben eingebrachten Defekten systematisch untersucht. Auf Basis der ermittelten Ergebnisse wurden Vorhersagemodelle zu Berechnung der Festigkeit unter verschiedenen zyklischen Beanspruchungsarten (axial, torsional, mit und ohne überlagerte Mittelspannungen) erstellt. Neben grundlegenden Einsichten hinsichtlich der Schädigungsmechanismen unter zyklischer Torsionsbeanspruchung im Bereich sehr hoher Belastungszyklen konnten im Rahmen des Projekts wichtige Hinweise für einen sicheren und nachhaltigen Einsatz von Werkstoffen und die Entwicklung moderner Hochleistungsstähle gegeben werden.