Wann wird Stahl müde?

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„Ermüdungsversagen“ nennt man es zum Beispiel, wenn eine Büroklammer nach zehnmaligem Biegen an der kritischen Stelle bricht. Was bei einer Büroklammer harmlos ist, ist eine der häufigsten und gefährlichsten Schadensursachen bei Maschinen, Fahrzeugen und Bauwerken durch Belastungen während des Betriebs. Bauteilermüdung ist somit wirtschaftlich und hinsichtlich möglicher Produktrisiken ausgesprochen relevant. Oft tritt Ermüdungsversagen scheinbar plötzlich ein wie beispielsweise beim schweren ICE-Unfall von Eschede: Ein Teil eines Rades brach, brachte den Zug teilweise zum Entgleisen und führte zu einem für viele Menschen tödlichen Crash. Entstehende Ermüdungsrisse sind zunächst mit bloßem Auge nicht erkennbar, wachsen dann aber mit jedem Lastzyklus, bis ein sogenannter „Restgewaltbruch“ das versagende Bauteil abrupt teilt.

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Um einzuschätzen, wie oft ein Material beziehungsweise Bauteil welche Belastung ertragen kann, arbeiten KonstrukteurInnen mit sogenannten „Belastungskollektiven“. Anhand dieser Lastannahmen zum Verlauf der zu erwartenden Belastung der Struktur lässt sich die Lebensdauer zumindest abschätzen, wobei ingenieurmäßige Ansätze oder auch werkstoffmechanische Modelle zum Einsatz kommen. Bei geschweißten Verbindungen liegen hierzu hauptsächlich Ansätze vor, die mindestens circa 10.000 Lastzyklen (also auftretende Belastungswechsel) voraussetzen, was für viele Fälle auch zutrifft. Zu selten auftretenden Sonderlasten, zu denen es z.B. bei zu stark beladenen Fahrzeugen kommt, oder Extremereignissen wie Erdbeben gibt es dagegen kaum Basisdaten zum Verformungs- und Versagensverhalten sowie der Abschätzung der Lebensdauer von Schweißverbindungen. Diese fallen in die sogenannte „niederzyklische Ermüdung“ (low cycle fatigue).

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Solide Daten ermöglichen bessere Vorberechnungen für Konstruktionen

Im Forschungsprojekt LCF-Weld erforscht Prof. Dr. Klemens Rother am Institut für Material- und Bauforschung der Fakultät für Maschinenbau, Fahrzeugtechnik, Flugzeugtechnik mit seinem Mitarbeiter Josef Neuhäusler im Labor für Mathematik und Technische Mechanik anhand von zwei ausgewählten Werkstoffen dieses Gebiet. Gemeinsam mit Prof. Dr. Michael Vormwald von der Technischen Universität Darmstadt, Institut für Stahlbau und Werkstoffmechanik, ergründet er die Lebensdauer geschweißter Verbindungen und entwickelt anhand der im Projekt gewonnenen Versuchsergebnisse neue Verfahren zur rechnerischen Beurteilung niederzyklischer Ermüdung.

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Im Prüfstand im Labor für Stahl- und Leichtmetallbau am Standort Kissing belasten die Wissenschaftler dazu geschweißte Bleche in verschiedenen Materialstärken mit unterschiedlichen Kräften. Dabei prüfen sie Schweißverbindungen aus dem austenitischen Stahlwerkstoff X6CrNiTi18-10 (1.4541) sowie dem hochfesten Baustahl S960M – zwei Werkstoffe mit sehr unterschiedlichem Verhalten und Eigenschaften.

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Die Ergebnisse dieses Projekts sollen in Zukunft dazu beitragen, die Sicherheit geschweißter Strukturen zu verbessern. Gleichzeitig erlaubt eine verbesserte Kenntnis des Strukturversagens den Bau leichterer Strukturen, die trotzdem hinreichend lange haltbar sind.

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Cathrin Cailliau