Ermüdungsarten

Materialermüdung, im englischen „fatigue“, ist ein Oberbegriff für Vorgänge, die in einem Werkstoff als Folge einer zyklischen Belastung ablaufen und in Konsequenz zu einer Beeinträchtigung der Funktion oder gar zum Ausfall eines Bauteils führen. Diesen Prozessen liegt also eine Materialschädigung zugrunde, die mit zunehmender Dauer der Belastung nach und nach grösser wird und letztlich im kompletten Versagen des Bauteils endet. Je nach Bauteil ist dies der Schwingbruch oder bereits der Schwinganriss. Das Erscheinungsbild, die Ursachen und Einflüsse, die dazu führen, sind sehr vielfältig.

Je nach der Art der Beanspruchung lassen sich die Ermüdungsvorgänge unter anderem einteilen in:

• mechanische Ermüdung
• thermische Ermüdung
• thermomechanische Ermüdung
• Kriechermüdung

Bei der mechanischen Ermüdung werden die Schädigungsvorgänge im Inneren des Werkstoffes durch zyklische mechanische Lasten bei weitgehend konstanter Temperatur hervorgerufen. Sie ist in weiten Teilen der Technik der häufigste Grund für ein Bauteilversagen durch Materialermüdung. Die Beispiele hierfür sind endlos, ob Radnabe, Querlenker, Pleuel oder Spindel einer Werkzeugmaschine, alle diese Bauteile sehen wiederkehrende Lasten, die zu einer entsprechenden Ermüdung führen.

Wird die Beanspruchung nicht durch wechselnde mechanische Lasten, sondern durch veränderliche thermische Zustände in einem Bauteil hervorgerufen, spricht man von thermischer Ermüdung. Sie tritt immer dann in Erscheinung, wenn die thermischen Dehnungen infolge einer ungleichmässigen Erwärmung behindert werden.

Die Kombination aus diesen beiden Belastungsarten führt zur technisch häufig vorkommenden thermomechanischen Ermüdung oder vielfach abgekürzt als TMF, abgeleitet aus dem englischen Begriff „thermo-mechanical fatigue“. Auch hier gibt es zahllose Beispiele aus der Praxis. Die Schaufeln einer Gasturbine, der Auslasskrümmer oder der Kolben eines Verbrennungsmotors sind nur einige wenige davon.

Eine weitere Art der kontinuierlichen Materialschädigung ist die Kriechermüdung. Besonders bei Materialien mit einer ausgeprägten Kriechneigung führt die fortschreitende oder zyklisch wechselnde Plastifizierung zu einer Ermüdung, die sich bis zum Bruch weiterentwickeln kann. Eine besondere Bedeutung hat dieser Versagensmechanismus bei Weichlotverbindungen, wie sie beispielsweise bei elektrischen Leiterplatten zahlreich vorhanden sind.