Torsionsermüdung von Stählen bei sehr hohen Lastspielzahlen

Seit beinahe zwei Jahrhunderten beschäftigen sich Wissenschaftler und Ingenieure intensiv mit der Frage, weshalb eine große Anzahl an wiederholten Belastungen zur Schädigung oder gar zum Bruch von Werkstoffen führen kann, obwohl die Lasten unterhalb der statischen Festigkeit liegen. Dieses Phänomen, das als Materialermüdung bezeichnet wird, ist eines der Hauptursachen für das Versagen von Bauteilen und verursacht jährlich immense Schäden. Bei Lastspielzahlen, d.h. einer Anzahl sich wiederholender Belastungen, von über einer Milliarde kann es bereits bei relativ geringen Spannungen zum Bruch kommen. Zahlreiche Laborversuche wurden bisher durchgeführt, um das Versagen bei sehr hohen Lastspielzahlen zu untersuchen. In den Experimenten wurden jedoch vorwiegend einachsige Beanspruchungen aufgebracht, was bedeutet, dass Versuchsproben solange unter wiederholtem Zug und Druck belastet werden, bis sie brechen. Die tatsächliche Belastungsart zahlreicher Komponenten im Betrieb unterscheidet sich davon jedoch oftmals signifikant. Sprungfedern oder Kugellager, zum Beispiel, werden auf Torsion beansprucht. Auch können zusätzlich überlagerte statische Torsionsspannungen vorhanden sein, was einen sogenannten Mittelspannungseinfluss bewirkt. Laborversuche mit Torsionsermüdung bei verschiedenen Mittelspannungen im Bereich sehr hoher Lastspielzahlen wurde bislang jedoch nur vereinzelt durchgeführt. Deshalb ist es von großem wissenschaftlichem und technischem Interesse, die unter derartigen Belastungen wirkenden Schadensmechanismen zu identifizieren. Dieser Aufgabe wollen sich die Wissenschaftler im vorliegenden Projekt stellen. Konkret werden die Ermüdungseigenschaften zweier unterschiedlicher Stahlsorten untersucht. Für die Experimente wird das kürzlich entwickelte Torsions-Ultraschallermüdungsverfahrens eingesetzt, womit Versuchsproben in Eigenresonanz angeregt werden und bis zu 20 000 Lastzyklen pro Sekunde aufgebracht werden können. Dies ermöglicht Versuche bis zu einer Milliarde Lastspielen innerhalb von Stunden oder Tagen, die mit herkömmlichen Verfahren Monate bis Jahre dauern würden. Zusätzliche Versuche mit konventionellen servo-hydraulischen Versuchsanlagen sollen Aufschluss über mögliche Einflüsse des Prüfverfahrens auf die Messergebnisse geben. Die Entstehung von Ermüdungsrissen und das Wachstum sehr kurzer Risse nehmen den Großteil der Lebensdauer bis zum Bruch in Anspruch. Der genaue Ort der Rissbildung ist zuvor jedoch nicht bekannt, was eine Beobachtung sehr schwierig macht. Deshalb werden sehr kleine künstliche Defekte an der Probenoberfläche eingebracht, an denen sich während des Ermüdungsversuchs Risse bilden werden. In Verbindung mit dem Ultraschallermüdungsverfahren können zudem äußerst geringe Rissverlängerungen pro Lastspiel beobachtet werden. Die Ergebnisse der beschriebenen Experimente sollen zur Klärung der Frage beitragen, unter welchen Bedingungen ein Ermüdungsversagen auftritt und wann eine unendliche Lebensdauer zu erwarten ist.