Ermüdungsrisse sind im Allgemeinen das Ergebnis periodischer plastischer Verformung in lokalen Bereichen. Ermüdung ist definiert als ?Versagen unter wiederholter Belastung oder anderen Arten von Belastungsbedingungen, und dieses Belastungsniveau reicht nicht aus, um ein Versagen zu verursachen, wenn es nur einmal angewendet wird.“ Diese plastische Verformung entsteht nicht aufgrund der theoretischen Belastung des idealen Bauteils, sondern weil die Bauteiloberfl?che tats?chlich nicht erfasst werden kann.

August W?hler ist der Pionier der Ermüdungsforschung und stellt eine empirische Methode vor. Zwischen 1852 und 1870 untersuchte W ?hler den fortschreitenden Ausfall von Eisenbahnachsen. Er baute den in Bild 1 gezeigten Prüfstand. Dieser Prüfstand erm?glicht es, zwei Eisenbahnachsen gleichzeitig zu drehen und zu biegen. W?hler zeichnete den Zusammenhang zwischen der Nennspannung und der zum Versagen führenden Lastspielzahl auf, das sp?ter W?hlerdiagramm genannt wird. Jede Kurve wird immer noch als aw ? hler Linie bezeichnet. Das Sn-Verfahren ist auch heute noch das am weitesten verbreitete Verfahren. Ein typisches Beispiel dieser Kurve ist in Abbildung 1 dargestellt.

Durch die w ?hler Linie k?nnen mehrere Effekte beobachtet werden. Zun?chst bemerken wir, dass die W?hlerlinie unterhalb des übergangspunktes (ca. 1000 Zyklen) ungültig ist, da die Nennspannung hier elastoplastisch ist. Wir werden sp?ter zeigen, dass Ermüdung durch die Freisetzung von plastischer Scherspannungsenergie verursacht wird. Daher gibt es keine lineare Beziehung zwischen Spannung und Dehnung vor dem Bruch und kann nicht verwendet werden. Zwischen dem übergangspunkt und der Ermüdungsgrenze (etwa 107 Zyklen) ist die Sn-basierte Analyse gültig. Oberhalb der Ermüdungsgrenze nimmt die Steigung der Kurve stark ab, daher wird dieser Bereich oft als Bereich der ?unendlichen Lebensdauer“ bezeichnet. Dies ist jedoch nicht der Fall. Beispielsweise hat eine Aluminiumlegierung keine unbegrenzte Lebensdauer, und selbst Stahl hat keine unbegrenzte Lebensdauer unter Belastung mit variabler Amplitude.

Mit dem Aufkommen der modernen Verst?rkungstechnologie k?nnen Menschen Ermüdungsrisse genauer untersuchen. Wir wissen heute, dass die Entstehung und Ausbreitung von Ermüdungsrissen in zwei Phasen eingeteilt werden kann. In der Anfangsphase breitet sich der Riss in einem Winkel von etwa 45 Grad relativ zur aufgebrachten Last aus (entlang der Linie der maximalen Schubspannung). Nach dem überqueren von zwei oder drei Korngrenzen ?ndert sich seine Richtung und erstreckt sich entlang der Richtung von etwa 90 Grad relativ zur aufgebrachten Last. Diese beiden Stadien werden als Riss Stufe I und Riss Stufe II bezeichnet, wie in Abbildung 2 dargestellt.

Wenn wir einen Riss im Stadium I bei starker Vergr??erung beobachten, k?nnen wir sehen, dass die Wechselspannung zur Bildung eines durchgehenden Gleitbandes entlang der maximalen Scherebene führt. Diese Gleitb?nder gleiten ?hnlich wie ein Kartenspiel hin und her, was zu unebenen Oberfl?chen führt. Die konkave Oberfl?che bildet schlie?lich einen ?knospenden“ Riss, wie in Abbildung 3 dargestellt. In Phase I dehnt sich der Riss in diesem Modus aus, bis er auf die Korngrenze trifft, und stoppt vorübergehend. Wenn den benachbarten Kristallen genügend Energie zugeführt wird, wird der Prozess fortgesetzt.

Nach dem überqueren von zwei oder drei Korngrenzen tritt die Richtung der Rissausbreitung nun in den Phase-II-Modus ein. In diesem Stadium haben sich die physikalischen Eigenschaften der Rissausbreitung ge?ndert. Der Riss selbst stellt ein Makrohindernis für den Spannungsfluss dar und verursacht eine hohe plastische Spannungskonzentration an der Rissspitze. Wie in Abbildung 4 gezeigt. Es ist zu beachten, dass sich nicht alle Risse im Stadium I bis zum Stadium II entwickeln.

Um den Ausbreitungsmechanismus des Stadiums II zu verstehen, müssen wir die Situation des Rissspitzenquerschnitts w?hrend des Spannungszyklus betrachten. Wie in Abbildung 5 gezeigt. Der Ermüdungszyklus beginnt, wenn die Nennspannung am Punkt ?a“ liegt. Wenn die Spannungsintensit?t zunimmt und Punkt ?B“ passiert, stellen wir fest, dass sich die Rissspitze ?ffnet, was zu einer lokalen plastischen Scherverformung führt, und der Riss sich bis zu Punkt ?C“ im ursprünglichen Metall ausdehnt. Wenn die Zugspannung durch den ?d“-Punkt abnimmt, beobachten wir, dass sich die Rissspitze schlie?t, aber die dauerhafte plastische Verformung hinterl?sst eine einzigartige Zacke, die sogenannte ?Schnittlinie“. Wenn der gesamte Zyklus am ?e“-Punkt endet, beobachten wir, dass der Riss nun die ?Da“-L?nge vergr??ert hat und zus?tzliche Schnittlinien gebildet hat. Es versteht sich nun, dass der Bereich des Risswachstums proportional zum Bereich der aufgebrachten elastisch-plastischen Rissspitzendehnung ist. Ein gr??erer Zyklusbereich kann ein gr??eres Da bilden.

Faktoren, die die Wachstumsrate von Ermüdungsrissen beeinflussen

Der Einfluss folgender Parameter auf die Ermüdungsrisswachstumsrate wird untersucht und konzeptionell erkl?rt:

1Scherspannung

Aus dem Diagramm ist ersichtlich, dass bei der periodischen ?nderung der St?rke der Nennspannung eine gewisse ?Menge“ an Schubspannung freigesetzt wird. Und je gr??er die Bandbreite der Spannungs?nderungen, desto gr??er die freigesetzte Energie. Anhand der W?hlerkurve in Bild 1 k?nnen wir erkennen, dass die Ermüdungslebensdauer exponentiell mit zunehmendem Lastspielbereich abnimmt.

2 durchschnittliche Belastung

Die durchschnittliche Spannung (Eigenspannung) ist auch ein Faktor, der die Ermüdungsbruchrate beeinflusst. Wenn die Ausdehnungsspannung auf den Riss der Phase II ausgeübt wird, wird der Riss konzeptionell gezwungen, sich zu ?ffnen, sodass jeder Spannungszyklus eine signifikantere Wirkung hat. Wenn im Gegensatz dazu die durchschnittliche Druckspannung angelegt wird, wird der Riss gezwungen, sich zu schlie?en, und jeder Spannungszyklus muss die Vordruckspannung überwinden, bevor sich der Riss weiter ausdehnen kann. ?hnliche Konzepte gelten auch für Risse im Stadium I.

3 Oberfl?chenbeschaffenheit

Da Ermüdungsrisse normalerweise zuerst an der Oberfl?che von Bauteilen mit Defekten auftreten, beeinflusst die Qualit?t der Oberfl?che die Wahrscheinlichkeit des Auftretens von Rissen erheblich. Obwohl die meisten Materialtestmuster hochglanzpoliert sind, erreichen sie auch die beste Ermüdungslebensdauer. Tats?chlich k?nnen die meisten Komponenten nicht mit den Proben verglichen werden, also müssen wir die Ermüdungseigenschaften modifizieren. Die Oberfl?chenbeschaffenheit hat einen gr??eren Einfluss auf die Ermüdung von Komponenten, die Belastungszyklen mit geringer Amplitude ausgesetzt sind.

4 Oberfl?chenbehandlung

Oberfl?chenbehandlung kann verwendet werden, um die Ermüdungsbest?ndigkeit von Komponenten zu verbessern. Der Zweck der Oberfl?chenbehandlung besteht darin, Druckeigenspannungen auf der Oberfl?che zu bilden. W?hrend der Periode mit niedriger Amplitude ist die Spannung auf der Oberfl?che offensichtlich gering und beh?lt sogar den Kompressionszustand bei. Daher kann die Ermüdungslebensdauer signifikant verl?ngert werden. Wie bereits erw?hnt, gilt diese Situation jedoch nur für Komponenten, die Belastungszyklen mit geringer Amplitude ausgesetzt sind. Wenn eine Periode mit hoher Amplitude angewendet wird, wird die Vorkomprimierung durch die Periode mit hoher Amplitude überwunden, und ihre Vorteile gehen verloren. Wie bei der Oberfl?chenqualit?t kann der Einfluss der Oberfl?chenbehandlung durch Modellierung gezeigt werden.