Bruchmechanismus

Um die Schwingfestigkeit von Bauteilen zu beeinflussen muss zunächst verstanden werden, welche Mechanismen der Entstehung eines Ermüdungsbruchs zugrunde liegen. Dabei können Risse oder sonstige Oberflächenfehler in der Probenoberfläche für die einsetzende Ermüdung verantwortlich gemacht werden. Mikroskopisch betrachtet ist nämlich keine Werkstoffoberfläche perfekt glatt und eben sondern weist Rauigkeiten und feinste Risse auf.

Solche Rauigkeiten wirken wie kleine Kerben an denen erhöhte Spannungen mit dreiachsigem Spannungszustand entstehen, die weit über den einachsigen Nennspannungszuständen liegen können. An diesen Stellen wird die Fließgrenze dann lokal überschritten und es kommt zu mikroplastischen Verformungen. Es bilden sich Materialverschiebungen durch auslaufende Gleitebenen, die entweder Ausbuchtungen (Extrusionen) an der Oberfläche oder Einbuchtungen (Intrusionen) zurück lassen [fahre hierzu mit der Maus über die Abbildung und entferne sie wieder]. Diese mikroskopischen Verwerfungen dienen wiederum als Kerben und verstärken somit die Rissbildung (Stufe I).

Extrusion, Intrusion, Bruchmechanik, Bruchmechanismus, Dauerbruch, Schwingbruch, Rissbildung

Abbildung: Entstehung von Intrusionen und Extrusionen

Infolge der plastischen Mikroverformung kann es auch zu Verfestigungserscheinungen und damit zu einem Versetzungsaufstau kommen, welcher den Werkstoff lokal verspröden lässt. Das Material bricht bei einem Lastwechsel mehr und mehr auf und der Anriss schreitet tiefer ins Innere fort. Diese Rissausbreitung kennzeichnet das Einsetzen des Ermüdungsbruchs (Stufe II). Bis es jedoch zum endgültigen Bruch kommt, werden in der Regel noch unzählige Lastwechsel vergehen. Aufgrund des zyklischen Voranschreitens des Risses bei jedem Lastwechsel ergeben sich während der Rissausbreitungsphase typische Schwingungsstreifen (Schwingstreifen) im Material. Diese feinen Strukturen sind nur mit Hilfe von Rasterelektronen- oder Rastertunnelmikroskopen auflösbar.

Immer wenn sich im Beanspruchungsverlauf jedoch eine starke Änderung ergibt, können die Schwingungsstreifen als sogenannte Rastlinien zum Vorschein treten und mit bloßem Auge sichtbar werden. Zu diesen Beanspruchungsänderungen gehören nicht nur die namensgebenden Rastphasen (Ruhephasen) sondern auch starke Lastwechsel die sowohl richtungsbedingt als auch intensitätsbedingt sein können. Eine solche mehrstufige Belastung liegt in der Realität meist vor, da viele Bauteile wie bspw. Antriebswellen von Automobilen in der Regel nie gleichmäßig dynamisch beansprucht werden. Rastlinien werden deshalb sichtbar, weil mit den Beanspruchungsänderungen auch immer eine Änderung in der Rissausbreitungsgeschwindigkeit verbunden ist, welche dann wiederum Auswirkungen auf die Oxidation der Rissfront hat.

Diese unterschiedlich stark oxidierten Rissfronten sind dann mit bloßen Auge erkennbar. Da die Rastlinien stets senkrecht zur Rissausbreitungsrichtung liegen, kann anhand deren Anordnung auch relativ einfach der Rissausgangspunkt ermittelt werden. Sind darüber hinaus die zeitlichen Abstände der Belastungsänderungen bekannt, welche jeweils eine Rastlinie hinterlassen, so kann anhand der Rastlinienanzahl auch auf den Zeitpunkt des Rissausbreitungsbeginns geschlossen werden (ähnlich den Jahresringen eines Baumes).

Rissbildung, Stufe I, II, III, Rissausbreitung, Gewaltbruch, Dauerbruch, Bruchfläche, Rastlinien, Schwingstreifen

Abbildung: Schwingbruch

Beachte: An den gebrochenen Proben im Wöhlerversuch sind in der Regel keine Rastlinien wiederzufinden, da es sich dabei nicht um eine mehrstufige sondern um eine einstufige Belastung mit konstanter Spannungsamplitude handelt (gleichmäßige dynamische Beanspruchung). 

Mit fortschreitender Rissausbreitung nimmt der tragende Restquerschnitt immer mehr ab. Die Last verteilt sich auf eine immer kleinere Fläche, bis der Werkstoff der Beanspruchung nicht mehr standhalten kann. Die Zugfestigkeit wird im Restquerschnitt überschritten und das Bauteil bricht (Stufe III). Unter dem Mikroskop zeigen sich in diesem Bereich keine Schwingungsstreifen oder Rastlinien mehr sondern man erkennt das typische Merkmal eines spröden oder duktilen Gewaltbruchs wie man es vom Zugversuch her kennt (Spaltbruch oder Wabenbruch).

Schwingbruchfläche, hohe, niedrige, Belastung, Verhältnis, Gewaltbruchfläche

Abbildung: Schwingbruch

Äußerlich kann der Ermüdungsbruch also an seinen zwei typischen Bruchbereichen erkannt werden. Im Bereich der Rissausbreitung zeigen sich die charakteristischen Rastlinien oder zumindest Schwingungsstreifen. Diese Schwingbruchfläche ist aufgrund der permanenten mikroskopischen Reibung der beiden Bruchhälften meist relativ glatt. Im Gegensatz hierzu weist die Gewaltbruchfläche (Restbruchfläche) eine eher zerklüftete Oberflächenstruktur auf. Anhand des Verhältnisses von Schwingbruchfläche und Gewaltbruchfläche lässt sich auch auf die Höhe der dynamischen Belastung schließen. Relativ große Gewaltbruchflächen deuten auf eine hohe Belastung hin, verhältnismäßig geringe Gewaltbruchflächen hingegen auf eine eher niedrige Belastung.