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Gute Schwingfestigkeit unter Lastwechsel

Faserverbundwerkstoffe sind auch bei dynamischer Belastung eine gute Wahl

Faserverstärkte Verbundwerkstoffe wie CFK sind für ihre hohe Festigkeit bei statischer Belastung bekannt - besonders bei Zugbelastung in Faserrichtung. Aber wie sieht es aus, wenn diese Werkstoffe schwingender Belastung ausgesetzt sind? Denn die Schwingfestigkeit von Bauteilen hat nicht nur großen Einfluss darauf, wie Bauteile dimensioniert werden müssen. Sie ist in vielen Anwendungsbereichen wie im Flugzeugbau auch sicherheitskritisch dafür, dass das Produkt überhaupt gebaut werden kann. Im folgenden Artikel erfahren Sie mehr darüber, warum CFK und GFK auch unter dynamischer Beanspruchung sehr geeignete Werkstoffe sind - insbesondere im Vergleich zu Metallen.
CFK dynamische Wechsellasten Prothese

Dauereinsatz:
Welche Betriebsfestigkeit und welche Ermüdungseigenschaften haben CFK und GFK bei schwingenden Belastungen?

Im Unterschied zu den meisten Metallen besitzen Faserverbundwerkstoffe sehr gute Ermüdungseigenschaften. So zeigten Zugversuche mit CFK-Proben auch unter Lastwechsel Dauerfestigkeit, bei Werten nur geringfügig unter der statischen Festigkeit. Ähnliche Ergebnisse zeigen sich bei GFK, gerade wenn man sie in puncto Dauerfestigkeit mit Aluminium vergleicht.

Fasern sorgen für Festigkeit, Kunststoffe für dynamische Belastbarkeit

Generell sind Faserverbundwerkstoffe besser für Belastung durch Zug als für Druckbelastung geeignet: Die Festigkeit dafür kommt aus der Beschaffenheit der Fasern.
Das Ermüdungsversagen bei Faserverbundwerkstoffen entsteht als Summe von vielen kleinen Schäden im Werkstoff. Wie schnell ein Bauteil ermüdet, hängt ab von der Zähigkeit des Harzes und davon, wie sauber die Composites verarbeitet wurden. Besonders Lufteinschlüsse und Einschluss von Festkörpern müssen als mögliche Schwachpunkte vermieden werden.
Die häufig verwendete Kunststoffmatrix aus Epoxidharz verschafft den Faserverbund-Bauteilen eine sehr hohe Widerstandsfähigkeit gegen Ermüdungsbrüche. Dies macht die Baustoffe sehr gut geeignet für Anwendungen, bei denen hohe Sicherheit wichtig ist, zum Beispiel im Flugzeugbau.

Betriebsfeste Bauteile für den Leichtbau

Da Faserverbundwerkstoffe bevorzugt für den Leichtbau verwendet werden, strebt man normalerweise betriebsfeste Bauteile an: Wenn man auf die Eigenschaft der Dauerfestigkeit verzichtet, benötigt man weniger Material. Die Bauteile haben in der Folge eine deutlich geringere Masse. Es ist dann zu ermitteln, gegen welche Arten der Belastung die Bauteile vor allem gewappnet sein sollen (Druck, Zug, Zug-Druck, Biegung, Torsion…) und das Bauteil darauf zu optimieren. Dies - kombiniert mit der extremen Leichtigkeit der Verbundstoffe - kann so ultraleichte Bauteile hervorbringen, die trotzdem eine ausreichend hohe Festigkeit auch unter Wechsellasten garantieren können.

Schwingfestigkeit:
Von welchen Faktoren hängt sie bei Faserverbundwerkstoffen ab?

Welche Schwingfestigkeit ein Faserverbundwerkstoff unter Wechsellast hat, hängt von vielen verschiedenen Kennwerten ab. Als die fünf wichtigsten Parameter sind zu benennen:
  1. Die Kunststoffmatrix: Bei CFK und GFK ist für die Dauerfestigkeit Kunststoff der kritische Faktor. Hier zeigten Versuchen zur Zugfestigkeit von GFK: unter Wechsellast ist es wichtiger, welcher Kunststoff ausgewählt wird, als welchen Volumenanteil die Glasfasern haben.
  2. Die Art und Konfiguration der Faser: Die spröden Glas- und Carbonfasern machen den Werkstoff steif und widerstandsfähig gegen Betriebslasten. Die Eigenschaften des Werkstoffs werden maßgeblich bestimmt durch die Ausrichtung, Länge und Anordnung der Fasern.
  3. Die Art der Herstellung: Sie bestimmt, wie die Fasern lokal im Verbundstoff verteilt werden und wie stark damit die lokale Belastbarkeit der Bauteile ist.
  4. Die Art der Belastung: Die Verbundstoffe reagieren unterschiedlich auf verschiedene Belastungsarten, zum Beispiel Zug und Druck.
  5. Der Zustand des Composites: Auch die Vorschädigung einer Komponente, z. B. durch Einschlag, muss beachtet werden. Sie wirkt sich darauf aus, wie lange das Bauteil hält und wie zuverlässig es funktioniert.
Der Vorteil von Faserverbundwerkstoffen liegt insbesondere darin, dass das Material des Bauteils für jeden Einsatzzweck passgenau zusammengestellt werden kann. Mehr Informationen zur Bestimmung von Schwingfestigkeit, Zeitfestigkeit, Dauerfestigkeit von Faserverbundwerkstoffen finden Sie z.B. in einer Publikation "Betriebsfestigkeitsbewertung von Faserverbundwerkstoffen - Übersicht und industrielle Anwendungen".

Metalle:
Welche Schwingfestigkeit und Ermüdungseigenschaften haben Aluminium, Stahl und Co.?

PRK Metall Ermuedung Rissbildung

Ermüdung durch Rissbildung

Die mechanische Materialermüdung von metallischen Werkstoffkomponenten beginnt, indem sich durch wiederholte Beanspruchung ein Anriss bildet. Es bilden sich dann auf dem Bauteil verteilt sichtbare Verformungen an der Oberfläche (Extrusionen und Intrusionen), die sich zu Ermüdungsgleitbändern verbinden. Ab einer gewissen Länge bezeichnet man die Risse als Makrorisse oder technische Anrisse. Wenn der Anriss eine bestimmte Länge erreicht (kritische Risslänge), führt das schließlich zum Ermüdungsbruch. Wie sich die Risse bilden, hängt ab von der Rissgeometrie und der Art der Beanspruchung ab, die zum Riss führt. Wie die Risse wachsen und wann eine kritische Länge erreicht wird, kann mithilfe der Bruchmechanik ermittelt werden.

Keine Dauerfestigkeit bei Aluminium und Stahl

Generell ist davon auszugehen, dass bei Aluminium Dauerfestigkeit nicht erreicht werden kann. Dies gilt auch für andere Metalle, die auf einem kubisch-flächenzentrierten Metallgitter basieren, wie z. B. Kupfer: Es gibt bei diesen Elementen keine Grenzschwingzahl. Bei sehr hohen Lastspielzahlen kommt es hier deshalb auch bei geringen Belastungen zum Versagen.
Auch kann eine echte Dauerfestigkeit bei Stahl nicht erreicht werden. Dies gilt selbst für hochfeste Stähle. Meist wird hier jedoch eine Schwingung mit 1.000.000.000 Lastwechseln „dauerfest“ genannt. Dafür muss aber das äußere Umfeld stimmen: Es darf weder Korrosion vorherrschen, noch darf es zu dauerhaft stark erhöhten Temperaturen kommen.
So kam es in der Vergangenheit wiederholt zu Zugentgleisungen, weil „dauerfeste Stähle“ wegen zu vielen Lastwechseln ihre Grenzschwingzahl für die Dauerfestigkeit der Welle überschritten.

Schweißnähte als Schwachstelle

Oft wird die Lebensdauer und Schwingfestigkeit von Metallkonstruktionen von den Schweißnähten bestimmt. Diese stellen damit den neuralgischen Punkt einer Konstruktion dar. Zwar kann man die Schweißnahtübergänge nachbehandeln und somit robuster machen. Doch ändert dies nichts daran das hier die Kette nur so stark ist wie ihr schwächstes Glied.

Belastungsformen:
Welche Arten der physikalischen Belastung gibt es?

Belastung oder Last bezeichnet die Summe aller äußeren Kräfte, die auf einen Werkstoff einwirken. Belastungen führen zu einer Beanspruchung des Bauteiles in Form einer Spannung. Die Steifigkeit des Bauteils bestimmt dabei, wie sehr es sich unter der Beanspruchung dehnt.
Unterscheidung nach Lastverteilung
Zeitlich unterscheidet man hier zwischen drei Belastungsfällen:
  • Belastungsfall I - ruhende bzw. statische Belastung: sie steigt auf ein gewisses Level an und bleibt dann auf diesem Niveau
  • Belastungsfall II – schwellende Belastung: Die Kraft schlägt nach unten und oben aus, ist jedoch nie statisch
  • Belastungsfall III – schwingende Belastung: Die Spannung schwingt periodisch hin und her zwischen positiv und negativ
Es gibt aber auch Mischformen wie die dynamisch-schwellende Belastung, die harmonische Belastung, die schlagartige Belastung und zufällige Belastung.
Unterscheidung nach Angriffspunkt und Wirkungsrichtung
Hier gibt es die Möglichkeiten:
  • Normalkraftbelastung Zug/Druck
  • Biegung
  • Scherung/Schubbeanspruchung
  • Torsion/Verdrehung


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Begriffsbestimmung:
Was bedeutet Materialermüdung, Dauerfestigkeit, Betriebsfestigkeit und Schwingfestigkeit?

Was ist Materialermüdung?

Unter Materialermüdung versteht man einen Prozess, der den Werkstoff schädigt und im Laufe der Zeit zu einem Ermüdungsbruch führt. Er wird verursacht durch mechanische Belastung, die sich über die Zeit verändert und wiederholt (schwingt). Ermüdung kann bereits bei Belastungen auftreten, die als statisch unkritisch gelten und unter der Zugfestigkeit oder Streckgrenze liegen. Indem das Material mit wechselnden Lasten beansprucht wird entstehen mikroplastische Verformungen. Die Ermüdungseigenschaften eines Bauteils bestimmen sich aus der Art der Werkstoffe und ihrem Zustand.

Was ist Schwingfestigkeit?

Die Schwingfestigkeit bezeichnet, wie Werkstoffe sich bei Beanspruchung unter Wechsellasten verformen lassen und wann sie dabei versagen. Sie ist eine Materialeigenschaft aus der Werkstoffkunde. Schwingfestigkeit wird in der Regel im Wöhlerversuch untersucht und in der Wöhlerkurve grafisch dargestellt. Dabei gibt die Wöhlerkurve an, wie viele Lastwechsel ein Material aushält, bis es zum Schwingbruch kommt, abhängig von einer Ausschlagsspannung.
Man kann die Wöhlerkurve unterteilen in Kurzzeitfestigkeit, Zeitfestigkeit oder Dauerfestigkeit.

Was ist Betriebsfestigkeit/Zeitfestigkeit (Definition)?

Die Betriebsfestigkeit (englisch: fatigue strength) bezeichnet den Widerstand eines Körpers gegen Ermüdung, wobei der zeitliche Verlauf der Spannungen berücksichtigt wird. Betriebsfeste Bauteile finden sich im Wöhler-Diagramm im Bereich der Zeitfestigkeit: Sie können nur eine bestimmte Zahl an Lastwechseln (Schwingungen) aushalten. An der Wöhlerlinie kann man ablesen, welche Anzahl solcher Lastwechsel ein Modul unter Betriebsbelastung verarbeiten kann.
Von Sfischer, CC BY-SA 3.0, commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=5213303

Was ist Dauerfestigkeit (Definition)?

Dauerfeste Materialien können theoretisch unbegrenzt viele Lastwechsel aushalten, wenn man externe Faktoren herausrechnet wie Korrosion. Dabei hängt die Eigenschaft der Dauerfestigkeit davon ab, welcher Art der Belastung der Werkstoff ausgesetzt ist (Druck, Zug, Zug-Druck, Torsion, Biegung…). Ein wichtiger Kennwert ist hier die Mittelspannung, also die statische Ruhelast. Abhängig von ihr unterscheidet man zwischen Wechselfestigkeit und Schwellfestigkeit:
  • Wechselfestigkeit liegt vor bei Dauerfestigkeitswerten mit der Mittelspannung von null.
  • Von Schwellfestigkeit spricht man bei Dauerfestigkeitswerten, bei denen die Mittelspannung dem Spannungssausschlag entspricht.
Die Dauerfestigkeit kann grafisch dargestellt werden durch Diagramme wie das Haigh-Diagramm oder das Smith-Diagramm.

Wie unterscheidet sich die schwingende von der statischen Beanspruchung von Bauteilen?

Statische Beanspruchung/Belastung meint hier, dass ein Gegenstand mit einer gleichmäßigen Kraft aus einer gleich bleibenden Richtung belastet wird. Liegt eine statische Beanspruchung von Bauteilen vor, können Kennwerte wie die Streckgrenze oder die Zugfestigkeit durch Versuche ermittelt werden. Man kann damit aussagen, dass bei Erreichen eines bestimmten Kraftwertes der Körper darunter bricht.
Wirken jedoch Lastwechsel in Form einer dynamischen Beanspruchung auf das Bauteil, so ist die Spannung, die für das Bauteil zulässig ist, niedriger. Das Phänomen untersuchte erstmals der deutsche Eisenbahn-Ingenieur August Wöhler in den 1860er-Jahren beim Lastwechsel von Güterwagen. Damals gingen Bauteile von Wägen zu Bruch, obwohl die Belastungen nach statischen Berechnungen kein Problem hätten darstellen dürfen. Wöhler erkannte daraufhin, dass die Dehngrenze bei Bauteilen unter schwingender Belastung geringer ist als bei statischer Belastung.
So entstand schließlich eine umfangreiche Forschung zu diesem Thema als Unterbereich der Werkstoffe, mit großem Einfluss darauf, wie Bauteile in den Ingenieurwissenschaften auch heute dimensioniert werden.
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