A1 Müdigkeit

Thema

Dieses Metall kann unter wiederholter zyklischer Belastung fortschreitend versagen, selbst wenn die Belastungsamplitude deutlich unter der statischen Streckgrenze liegt, die in einem anderen Modell dieses Systems ermittelt wurde. Dieses fortschreitende Versagen unter zyklischer Belastung, das sich deutlich von der statischen Streckgrenze unter einer Dauerlast gleicher Größe unterscheidet, stellt die Ermüdung dieses Metalls dar. Die Tatsache, dass diese zyklische Belastung wiederholt auftritt, obwohl jeder einzelne Zyklus deutlich unter der statischen Streckgrenze bleibt, führt schließlich dazu, dass sich an einer bestimmten Stelle im Metall ein Ermüdungsriss bildet, der durch einen einzelnen Zyklus derselben Amplitude niemals entstehen würde.

Sobald sich dieser Ermüdungsriss im Metall gebildet hat, bestimmt die Spannungsamplitude der weiterhin wirkenden zyklischen Belastung gemäß der Basquin-Gleichung, wie viele Lastzyklen das Metall vor dem Ermüdungsversagen aushält: seine Ermüdungslebensdauer. Eine größere Spannungsamplitude führt gemäß dem Basquin-Gesetz zu einer kürzeren Ermüdungslebensdauer, eine kleinere Spannungsamplitude zu einer längeren.

Dieser Ermüdungsriss wächst, sobald er entstanden ist, nicht mit konstanter Geschwindigkeit während jedes Lastzyklus, sondern mit einer Geschwindigkeit, die durch die Spannungsintensitätsfaktoramplitude jedes Zyklus bestimmt wird, wie im Paris-Gesetz beschrieben: Je größer diese Spannungsintensitätsfaktoramplitude zwischen dem Minimum und Maximum eines Zyklus ist, desto weiter schreitet der Ermüdungsriss in diesem Zyklus voran. Eine größere Spannungsintensitätsfaktoramplitude, sei es aufgrund einer größeren Lastamplitude oder weil der Ermüdungsriss selbst bereits ausreichend gewachsen ist, führt gemäß dem Paris-Gesetz zu einer höheren Rissausbreitungsgeschwindigkeit.

Dieselbe Spannungsintensitätsfaktoramplitude führt auch zu einer höheren Rissausbreitungsgeschwindigkeit. Daher integriert dieses Modell mit der zyklischen Belastung und dem Ermüdungsriss, bei dem er sich öffnete, das Paris-Gesetz über den gesamten Wachstumsverlauf dieses Ermüdungsrisses, von der Größe bei der Entstehung bis zur kritischen Größe, bei der das Metall schließlich bricht, um die Ausbreitungslebensdauer bis zu diesem endgültigen Bruch zu ermitteln. Während Basquins Gleichung bereits anhand der Spannungsamplitude die Gesamtlebensdauer dieses Metalls abschätzt, ohne zwischen Rissbildung und -ausbreitung zu unterscheiden, isoliert diese Integration des Paris-Gesetzes explizit die Ausbreitungsphase, sobald der Ermüdungsriss vorhanden ist. Die Tatsache, dass die kritische Größe dieses Ermüdungsrisses, bei der der endgültige Bruch eintritt, von der Bruchzähigkeit des Metalls abhängt, ermöglicht es einem anderen Modell dieser Reihe, dieselbe Bruchzähigkeit experimentell mit dem an diesem Metall durchgeführten Charpy-Schlagversuch zu korrelieren. Die Tatsache, dass die Ermüdung dieses Metalls stattdessen von einem einzelnen Ermüdungsriss dominiert wird, der entsteht, wächst und schließlich zum Bruch des Werkstücks führt, unterscheidet sie deutlich von der Ermüdung eines Verbundwerkstoffs, bei dem die Schädigung an vielen Stellen gleichzeitig verteilt ist und nicht ein einzelner dominanter Riss, der die fortschreitende Degradation unter zyklischer Belastung bestimmt.

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