Thermomechanische Ermüdung

Eine thermomechanische Ermüdung (TMF = thermo-mechanical fatigue) entsteht, wenn sowohl eine mechanische als auch eine thermische, periodisch veränderliche, Belastung auf ein Bauteil einwirkt. Bei typischen technischen Anwendungsfällen, in denen die thermomechanische Ermüdung einen bedeutenden Einfluss hat, liegt die Zahl der Lastzyklen im Bereich der Kurzzeitfestigkeit, also bei einer Zyklenzahl von 10⁴ bis 10⁵. Die dabei entstehenden Dehnungen sind meist oberhalb der Elastizitätsgrenze, insbesondere auch deshalb, weil diese mit zunehmenden Temperaturen absinkt. Eine übliche Beschreibung der Zusammenhänge erfolgt über die Coffin-Manson-Beziehung. Analog zur Wöhlerkurve ergibt ihr doppeltlogarithmisches Auftragen eine fallende Gerade. Anstatt der Lastwechsel wird allerdings auf der Abszisse die plastische Dehnung angezeigt.

Die zyklischen thermischen und mechanischen Belastungen sind dabei nicht zwingend synchron, sondern vielfach durch einen Phasenwinkel zueinander versetzt. Je nach Phasenlage ergeben sich deutlich andere Materialbelastungen und erreichbare Lastwechselzahlen. Da es also auf die Schädigungsvorgänge einen wesentlichen Einfluss hat, wie die zeitliche Abfolge der einzelnen Ereignisse ist, unterscheidet man bei TMF-Versuchen zwischen:

• „In-Phase-Test“ – Phasenwinkel 0°
• “Out-Of-Phase-Test” – Phasenwinkel 180°
• “Clockwise-Diamond-Test” – Phasenwinkel 90°
• “Counter-Clockwise-Diamond-Test” – Phasenwinkel -90°
• oder entsprechend der Anwendung mit jedem beliebigen Winkel dazwischen

Die Vorgänge in einem Werkstoff, der einer thermomechanischen Belastung ausgesetzt ist, sind deutlich komplexer, als wenn sie nur durch die reinen mechanischen Spannungen ausgelöst werden. Zudem liegt eine thermomechanische Ermüdung in der Regel nicht isoliert vor, sondern ist überlagert von anderen Belastungen, insbesondere bei Hochtemperaturanwendungen, wo Kriechneigung und Korrosionsvorgänge verstärkt in Erscheinung treten. Beides macht eine Beurteilung schwieriger. Eine absolute Aussage ist mit einer entsprechend grösseren Unsicherheit verbunden, insbesondere beim Vergleich verschiedener Werkstoffe, deren Materialdaten unter nicht ganz identischen Versuchsbedingungen gewonnen wurden.

Die numerische Bewertung der thermomechanischen Ermüdung und die Vorhersage der Grenzlastwechsel erfolgen prinzipiell nach den gleichen Methoden wie bei der Kurzzeitfestigkeit. Dazu müssen auch hier die lokalen plastischen Dehnungen gemäss ihrer Entstehungsgeschichte ermittelt werden. Da hierbei der Temperaturverlauf eine wesentliche Einflussgrösse darstellt, ist eine gekoppelte Multiphysik-Simulation notwendig. Entsprechend steigt der numerische Aufwand. Da nur schwer abgeschätzt werden kann, welche Kombinationen aus thermischen und mechanischen Lastzuständen massgebend sind, kann eine Reduktion des Rechenaufwands durch quasistatische Ersatzlastfälle nur bedingt erfolgen.

Mit dem Ziel, die Rechenzeiten klein zu halten, existieren anwendungsspezifische, alternative Ansätze, die thermomechanische Ermüdung vorherzusagen. Diese Methoden verlieren allerdings oft ihre absolute Aussagekraft, eignen sich aber insbesondere für die Lokalisierung von Schwachstellen und deren vergleichende Bewertung. Dies kann vor allem in der Konzeptphase interessant sein, insbesondere wenn noch keine spezifischen Materialkennwerte vorliegen.