Was ist ein Ermüdungsversuche?

Ein Ermüdungsversuch ist ein kontrolliertes und systematisches Verfahren, mit dem die inhärente Fähigkeit eines Werkstoffs, zyklischen Belastungen standzuhalten, bewertet wird. Diese wiederholten Beanspruchungen, oft in Form von Zug, Druck, Biegung, Torsion oder Kombinationen davon, können zu einer Schädigung des Materials oder sogar zu dessen Versagen führen, obwohl die aufgebrachten Lasten geringer sind als die Bruchfestigkeit des Materials.

Die Ergebnisse eines Ermüdungsversuchs liefern wichtige Informationen über die Haltbarkeit und Sicherheit von Materialien, die in kritischen Anwendungen eingesetzt werden, von Bauteilen für die Luft- und Raumfahrt bis hin zu Automobilteilen und im Hochbau.

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Was ist das Phänomen der Materialermüdung?

Das Phänomen der Materialermüdung ist ein mechanischer Abbauprozess, der durch fortschreitende, örtlich begrenzte und dauerhafte strukturelle Veränderungen gekennzeichnet ist, wenn er schwankenden Spannungen und Dehnungen ausgesetzt ist. Dieses Phänomen, das häufig bei Werkstoffen beobachtet wird, die zyklischen Belastungen ausgesetzt sind, führt zu einem kritischen Punkt, an dem das Material Risse entwickeln oder schließlich versagen kann, auch wenn die aufgebrachten Lasten unterhalb der Bruchfestigkeit des Materials bleiben.

Im Zuge der Ermüdung kommt es zu einer plastischen Verformung der Werkstoffe, die sich als mikroplastische Verformung auf kleinstem Raum manifestieren kann. Wenn sich diese lokalen Verformungen unter Dauerbelastung akkumulieren, können sie zur Entwicklung makroskopischer Schäden führen und schließlich zum Bruch des Materials oder Bauteils führen.

Wie wird ein Ermüdungstest durchgeführt?

Bei der Durchführung eines Ermüdungsversuchs wird eine Probe in eine Ermüdungsprüfmaschine eingespannt, die vorgegebene Spannung aufgebracht, bei Nulllast oder in entgegengesetzter Richtung entlastet und dieser Zyklus bis zum Ende der Prüfung wiederholt. Die Prüfung kann je nach den spezifischen Prüfparametern für eine bestimmte Anzahl von Zyklen oder bis zum Versagen der Probe durchgeführt werden.

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Was ist der Ursprung der Ermüdungsprüfung?

Das Hauptziel eines Ermüdungsversuchs besteht in der Regel darin, die zu erwartende Lebensdauer eines Werkstoffs unter zyklischer Belastung zu ermitteln. Aber auch die Ermüdungsfestigkeit und die Rissbeständigkeit sind wichtige Parameter. Die Ermüdungslebensdauer bezieht sich auf die Gesamtzahl der Zyklen, denen ein Material unter einer einzigen Belastung standhalten kann. Ein Ermüdungsversuch ist auch nützlich, um die maximale Belastung zu bestimmen, die eine Probe für eine bestimmte Anzahl von Zyklen aushalten kann. All diese Eigenschaften sind in Bereichen, in denen die Materialien nicht konstanten, sondern schwankenden Kräften ausgesetzt sind, von immenser Bedeutung.

Vom Fahrgestell eines Formel-1-Autos bis hin zu Zahnimplantaten ist das Verständnis und die Prüfung der Ermüdung von entscheidender Bedeutung für die Konstruktion von Komponenten, die zyklischen Belastungen ausgesetzt sind. Ermüdungsversuche helfen, die Lebensdauer abzuschätzen und die Haltbarkeit von Bauteilen in Abhängigkeit von der Belastung zu bewerten, um die Zuverlässigkeit von Materialien in verschiedenen Anwendungen zu gewährleisten.

Verschiedene Arten von Ermüdungsversuchen

Hochzyklische Ermüdungsversuchen: Standard-Ermüdungsversuchen, die bei Frequenzen zwischen etwa 1 und 5000 Hz durchgeführt wird.
HCF (DIN 50100) High Cycle Fatigue Test: Standard-Ermüdungsversuch, der mit Frequenzen zwischen ca. 1 und 5000 Hz durchgeführt wird.
Ermüdungsversuche an rotierenden Stäben, DIN 50113.
Zug-Druck-Ermüdungsversuche.
Bewertung der Festigkeit (Dauerfestigkeit) gegenüber zyklischen Beanspruchungen durch eine Kombination aus Zug, Entlastung und Druck.
Giga-Zyklus-Ermüdungsprüfung: Ermüdungsprüfung, bei der etwa 1 × 10^9 Zyklen oder mehr in kurzer Zeit unter Verwendung von Ultraschallschwingungen usw. durchgeführt werden.
Ermüdungsrissausbreitungsprüfmaschine: Bewertet die Rissausbreitungsrate unter zyklischer Belastung.

LCF

Tests mit niedrigem Zyklus

HCF

Tests mit hoher Zyklenzahl

VHCF

Tests mit sehr hoher Zykluszahl

Die häufigsten Ermüdungsversuche

ASTM D3479 – Zug-Zug-Ermüdung von Polymermatrix-Verbundwerkstoffen
ASTM D7774 – Biegeermüdungsprüfgeräte für Kunststoffmaterialien
ASTM E2207 – Axial-Torsions-Ermüdungsprüfeinrichtung für dünnwandige Rohrmaterialien
ASTM E2368 – Thermomechanische Ermüdungsprüfgeräte
ASTM E466 – Ermüdungsprüfung mit konstanter Amplitude und kontrollierter Belastung an Metallen
ASTM E467 – Axiales Ermüdungsprüfsystem mit konstanter Kraft – Prüfmaschinen
ASTM E606 – Dehnungsgesteuerte Ermüdungsprüfung bei hohen und niedrigen Zyklen
DIN EN 6072 – Luft- und Raumfahrt – Metallische Werkstoffe – Prüfverfahren – Ermüdungsprüfung mit konstanter Amplitude
DIN 50100 – Ermüdungsversuche mit kontrollierter Belastung – Durchführung und Auswertung von zyklischen Versuchen mit konstanter Lastamplitude an Metallproben und Bauteilen
ISO 1099 – Metallische Werkstoffe – Ermüdungsprüfung – Verfahren mit kontrollierter Axialkraft
ISO 7206 – Prüfung von Hüftimplantaten
ISO 14801 – Ausrüstung für die Ermüdungsprüfung von Zahnimplantaten
ISO 15024 – Interlaminare Bruchzähigkeitsprüfung für Kunststoff-Verbundwerkstoffe – Prüfmaschinen
ISO 22675 – Ermüdungsprüfgeräte für Knöchel- und Fußprotektoren