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Vermoeiing

ermüden, ermüden oder ermüden, spezifischer Material- und Metallermüdung, ist das Phänomen, dass a Material erliegt einer sehr lang anhaltenden Dynamik oder Fluktuation MwSt.

Aufgrund der unterschiedlichen Belastung, Fraktur auftreten, auch wenn die Spannungen überall (weit) unter dem Maximum liegen Flüssigkeit oder Stress brechen bleibe. Ermüdung, die nach einer kurzen Anzahl von Zyklen, weniger als zehntausend, auftritt, ist niedrige Zyklusermüdung erwähnt.

Ermüdung war die direkte Ursache für eine Reihe größerer Industriekatastrophen, darunter das Kentern und Sinken der Bohrplattform Alexander Kielland, bei dem 123 der 212 Menschen an Bord starben.

Geschichte

Zeichnung von Metallermüdung, 1843

Dieses Phänomen wurde erstmals entdeckt in England, von der ersten Züge. Es stellte sich heraus, dass Zugachsen viel schneller zusammenbrachen als aufgrund von Berechnungen erwartet. Es war William John Macquorn Rankine im Artikel "Eine experimentelle Untersuchung des Vorteils von Zylinderrädern bei Eisenbahnen" von 1842, die dies ermüden (ermüden).

Der deutsche Ingenieur August Wohler (1819–1914), der eine hohe Stellung bei der Deutschen Bahn innehatte, untersuchte dieses Phänomen weiter. In seinem Betrieb hatte es bereits mehrere schwere Unfälle durch den Bruch von Zugachsen und Radreifen gegeben. Er stellte fest, dass das Metall der defekten Teile durch die Wechselbelastung über die Schienen einer geringeren Belastung standhalten konnte als bei einer statischen Belastung. Nach umfangreichen Tests hat er Diagramme für verschiedene Stahlsorten erstellt, die wir derzeit verwenden Wohler Kurven zu nennen, der Zusammenhang zwischen Materialspannung und Anzahl der Lastwechsel bis zum Bruch fixiert.

Abnahme der Ermüdungsgrenze

Aluminium: egal wie gering die Spannung ist (y-Achse), Ermüdungsbruch tritt nach einer bestimmten Anzahl von Zyklen auf (x-Achse)

Ermüdung tritt häufig bei Metallen auf. Es wird normalerweise Metallermüdung erwähnt. Einige Materialien haben ein maximales Spannungsniveau, bei dem keine Ermüdung auftritt, wenn die Wechselspannung darunter liegt (z. Stahl und Titan). Diese Belastung wird als Ermüdungsgrenze bezeichnet. Diese Grenze kann durch Korrosion oder eine saure Umgebung abgesenkt werden. Andere Metalle (Aluminium und Kupfer) Ermüdung bei jeder Spannung, obwohl die Ermüdung bei niedriger Spannung länger dauert.

Es ist bekannt, dass die Oberflächenbeschaffenheit eines unterschiedlich belasteten Teils von großer Bedeutung ist. Oberflächenoperationen als drehen und Mahlen von Stahlprodukten kann zu einer Verringerung der Ermüdungsgrenze um etwa 20 % führen. Auch eine galvanische Beschichtung kann eine Verschlechterung bedeuten. Eine weitere Ursache, die die Ermüdungsgrenze senkt, ist Schweißen. Versuche haben gezeigt, dass die Dauerfestigkeit des Materials an oder an der Schweißstelle in der Regel stark abnimmt.

Bei einigen Materialien scheint auch die Temperatur ein Einflussfaktor zu sein, wenn sie 200°C überschreitet. Legierungen mit metastabiler Struktur beginnen insbesondere bei höheren Temperaturen durch Ausscheidungen strukturelle Veränderungen zu erfahren. Dies hat Einfluss auf die Dauerfestigkeit. Auf diese Weise wird die Frequenz zu einem wichtigen indirekten Faktor. Bei höheren Frequenzen (für Metalle: > 10⁴ Zyklen pro Minute, bei einigen Kunststoffen: 10 Hz) tritt eine Erwärmung auf und führt zu einer geringeren Dauerfestigkeit.

Brechmechanismus

Der Ermüdungsbruch verläuft wie folgt:

Einleitung; der Riss beginnt oft bei einer Spannungskonzentration (Einschlüsse, Kerbe, Schweißnaht usw.). Ist diese Spannungskonzentration nicht vorhanden, kann es dennoch zu Ermüdung kommen, wenn auch oft erst nach längerer Zeit.
Vermehrung; der Riss dehnt sich aufgrund der dynamischen Belastung weiter aus. Dieser Prozess ist zunächst sehr langsam. Wenn der Riss größer wird, nimmt die Belastung des nicht ausgefallenen Rückstands zu und der Prozess läuft immer schneller ab.
Beendigung; hier bricht das Material oft spröde. Das Material erliegt zwar seiner Bruchspannung, aber durch den fortschreitenden Riss wurde der Widerstandsquerschnitt zu klein.

Charakteristisch für diese Bruchart ist die Oberfläche: Sie ist glatt und zeigt konzentrische Ringe, sogenannte "Strandmarkierungen, die sich vom Ausgangspunkt aus auffächern.

Designmaßnahmen

Bruch eines Stabes einer Groundplane-Antenne durch erzwungene Schwingungen einer Schiffsschraube

Ein guter Konstrukteur berücksichtigt die Möglichkeit von Ermüdungsbrüchen und Rissen. Diese können die Lebensdauer der Struktur erheblich verkürzen. Unerwartete Ermüdung tritt hauptsächlich aufgrund einer schlechten Konstruktion der Struktur auf, hauptsächlich aufgrund zu hoher Spannungskonzentrationen oder Kerbwirkung.

Der im Bild gezeigte Bruch eines Strahls eines Heizkörpers als wichtiger Teil des abgebildeten Groundplane-Antenne, Entstanden durch gezwungen vibrieren mit der Schiffsschraube. Das Frequenz dieser Schwingungen liegen bei vielen Schiffen laut Forschung zwischen 20 und 25 Hertz. Eine genauere Untersuchung der Antennenstäbe ergab, dass die Eigenfrequenz war bei 23 Hz, was Resonanz traten auf und es entwickelten sich Schwingungen, die in kurzer Zeit zum Bruch führten. Aufgrund einer großen Designänderung, nämlich durch die Erhöhung der internen Dämpfung, die Vibrationen wurden zu einem harmlosen Amplitude reduziert.

Wenn zusätzlich zu den Spannungsänderungen (Spannung/Druck) auch Variationen des Spannungsniveaus auftreten, können wir die Miner-Formel (auch Palmgren-Miner-Hypothese der linearen Ermüdung genannt) verwenden. Wenn da ${displaystyle k}$ unterschiedliche Spannungsniveaus, die ${displaystyle k}$ Die Ebenen werden wie folgt summiert: