Ermüdungsprüfung, Teil 1: Geschichte, Methodik und Rolle im Leichtbau

Die Ursprünge der Ermüdungsprüfung reichen bis ins Jahr 1838 zurück, als der deutsche Bergbauverwalter Wilhelm Albert die erste bekannte Arbeit über Metallermüdung verfasste, die auf seinen Beobachtungen zum Versagen von Bergwerksketten basierte. ¹

In den 1850er Jahren übernahmen Transportfachleute die Ermüdungsprüfung als Instrument zur Identifizierung, Erklärung und schließlich Korrektur von Rissen in Pferdekutschenachsen und Eisenbahnwaggonachsen. ¹ Seine 20-jährige Studie von Lastzyklen bis zum Versagen über Letzteres katapultierte August Wöhler, einen deutschen Eisenbahningenieur, als führende Autorität auf dem Gebiet der Ermüdungsprüfung ins Rampenlicht.

Tatsächlich wird Wöhler die Entwicklung der S-N-Kurve (oder Wӧhler-Kurve) zugeschrieben, die auch heute noch zur Minimierung der Ermüdung verwendet wird, indem die Spannung an kritischen Stellen gesenkt und Oberflächendefekte und das daraus resultierende Risswachstum identifiziert werden. Diese Daten sind von entscheidender Bedeutung, da Risse bei Ermüdungstests mit geringer Belastung und langer Dauer dazu neigen, Ausfälle bei Spannungsniveaus weit unter den veröffentlichten Festigkeitswerten zu verursachen, da die Risse schwächer sind als die Volumenfestigkeit.

Die Risswachstumstheorie erklärt, dass, wenn eine Dehnung auf den Riss ausgeübt wird, die Spitzenoberfläche nachgibt, wodurch mehr Oberfläche entsteht. Die Oberfläche kollabiert dann, wodurch der Riss länger wird. Bei erhöhten Temperaturen ist die Streckgrenze geringer und die Rissspitze gibt leichter nach. Dadurch breitet sich der Riss schneller aus, was bei höheren Temperaturen zu zyklischer Ermüdung und bei niedrigeren Zyklen zu Ausfällen führt – ein Nachteil für den Automobilbau.

S-N- oder Wӧhler-Kurven bestehen aus den folgenden Variablen:

• S: Spannungs-/Kraftbereich
• N: Anzahl der Zyklen (Lebensdauer)
• R: Spannungsverhältnis (S min / S max. R=0,1 Zyklen +20 MPa/+2 MPa)
• -R: Inklusive vollständiger Kompression (+20 MPa/-20 MPa)
• Hertz: Frequenz in Zyklen/Sekunde (für Nylon 5Hz ist dies die Grenze, oberhalb derer eine Erwärmung auftritt)
• Ausrichtungen: Der Winkel in Grad, versetzt von der Strömungsrichtung. 0 Grad ist vom Tor bis zum Ende.
• Ausdauer: Das Belastungsniveau, bei dem das Teil nicht versagt

Ziel der Ermüdungsprüfung ist es, die Ermüdungsfestigkeiten zu ermitteln und die Dauerbelastungspunkte zu identifizieren, an denen kein Versagen mehr auftritt. Zur Veranschaulichung zeigen die beiden folgenden Diagramme die extremen Enden der Faserorientierung aus einer vollständigen S-N-Diagrammcharakterisierung, die an einem glasfaser- und mineralgefüllten Polyamid 6,6 unter einachsiger Belastung für mehr als 1 MM-Zyklen mit Faserorientierungen von 90, 30 und 0 Grad durchgeführt wurde.

S-N-Kurven und Dokumentation der Ermüdungsdaten

Es überrascht nicht, dass die Mehrheit der Automobilhersteller jetzt Ermüdungsdaten der S-N-Kurve benötigt, die das Ausmaß der Belastung im Vergleich zur Anzahl der Zyklen bis zum Ausfall darstellen.

ASTM D7791 ist der genormte Test zur Bestimmung der Ermüdungsbeständigkeit von Kunststoffen unter einachsiger Beanspruchung über eine große Anzahl von Zyklen. Eine umfassende Ermüdungsprüfung von Thermoplasten erfordert jedoch:

• Prüfung bei der/den richtigen(n) Temperatur(en)
• Geschnittene Zugstäbe
• Drei Faserausrichtungen (0, 30, 90)
• Aufbereitung
• Vier Lastwerte (S), Lastfrequenz (f), Spannungsverhältnis (R) und Zyklen bis zum Ausfall (N)

Obwohl die Anforderungen spezifisch sind, gibt es einen erheblichen Spielraum bei der Auswahl der Testparameter, damit die Benutzer die tatsächlichen Expositionsbedingungen genau nachbilden können. Infolgedessen hat jeder Automobilhersteller seine eigenen Parameter, die die Tests entweder vereinfachen oder erschweren können.

Der Einfluss der Temperatur auf Fehlerzyklen

Es ist wichtig zu beachten, dass unabhängig von der Ermüdungsprüfmethode die richtige Temperatur ausgewählt werden muss, um sicherzustellen, dass die Daten der S-N-Kurve genau sind.

Erschwerend kommt hinzu, dass in der ASTM D7791 keine Prüftemperatur angegeben ist. Um zu verhindern, dass die Ergebnisse zu unregelmäßig sind, ist es allgemein anerkannt, dass:

• Die Tests werden mit der maximalen Temperatur durchgeführt, der das Teil langfristig ausgesetzt ist
• Die S-N-Kurve wird unter Verwendung der statischen Spannungs-Dehnungs-Kurven nach unten auf andere interessante Temperaturen extrapoliert

Leichtbau: Umwandlung von Metall in Kunststoff

Das Transportwesen hat seit den Pferdekutschen und Eisenbahnwaggons der ersten Generation einen langen Weg zurückgelegt, aber das negiert nicht die Relevanz von Ermüdungstests. Heutige Automobilingenieure legen immer mehr Wert [TG1] auf die Daten, die durch Ermüdungstests generiert werden, da sie Leichtbaustrategien und den Einsatz von technischen Thermoplasten anwenden, um die Kraftstoffeffizienz- und Emissionsnormen einzuhalten.

Thermoplastische Verbundwerkstoffe mit einem hohen Verhältnis von Festigkeit zu Masse ermöglichen Leichtbau. Kurzglasfaserverstärkte Thermoplaste sind von besonderem Interesse, da sie in großen Mengen zu relativ geringen Kosten pro Teil in komplexe Formen spritzgegossen werden können.

Der Prozess des Spritzgießens verursacht jedoch eine Faserorientierung, die zu anisotroper mechanischer Festigkeit und Versagen führt. Automobilingenieure können Ermüdungstests und Computermodellierung verwenden, um die Ermüdungslebensdauer ihrer Kunststoffteile vorherzusagen und Änderungen am Design vorzunehmen, um die Anforderungen zu erfüllen.

Die Grundlagen und die Langlebigkeit der Ermüdungsprüfung unterstreichen ihre Bedeutung im Industriesektor, insbesondere in Branchen wie der Automobilindustrie, die sich im Übergang zu neuen Materialien und Prozessen befinden. Ermüdungsprüfungen sind in der Regel sehr teuer und zeitaufwändig, daher ist es sinnvoll, mit einem erfahrenen Anbieter von Kunststofflösungen wie Teknor Apex zusammenzuarbeiten, um bewährte Fähigkeiten und Lösungen zu nutzen.

Wenden Sie sich an das Teknor Apex-Team , um Ihre Anforderungen zu besprechen, und halten Sie Ausschau nach weiteren Artikeln über Ermüdungsprüfungen. Wir tauchen tiefer ein, um Ihnen zu helfen, die Notwendigkeit und praktische Anwendung dieser wichtigen Methodik zu verstehen, wenn sie sich auf erfolgreiche Ergebnisse für Hersteller bezieht.