Metallermüdung

In der Materialwissenschaft ist Ermüdung der Prozess, bei dem ein Material langsam und progressiv (und oft dauerhaft) durch Spannungen und Dehnungen beschädigt wird, die geringer sind als die, die benötigt werden, um das Material tatsächlich auseinander zu brechen. Metallermüdung tritt auf, wenn das Material ein Metall ist. Zum Beispiel könnte ein Stahldraht verwendet werden, um Gewichte aufzuhängen, die kleiner sind als die Menge, die benötigt wird, um den Draht auseinander zu brechen (seine Zugfestigkeit). Im Laufe der Zeit können diese Gewichte jedoch langsam dazu führen, dass sich Defekte im Stahl entwickeln. Diese Defekte können als Kratzer, Kerben, Partikelbildung oder andere Anomalien auftreten. Irgendwann können diese Defekte so groß werden, dass der Stahldraht tatsächlich auseinanderbricht, obwohl seine Zugfestigkeit nie überschritten wurde.

1837 veröffentlichte der deutsche Bergbauverwalter Wilhelm August Julius Albert (1787-1846) den ersten bekannten Artikel über Ermüdung. In seiner Arbeit stellte Albert eine Testmaschine her, die Metallermüdung auf Förderketten aufzeichnete, die in lokalen Minen verwendet wurden. Einer der ersten Fälle von Metallermüdung, der wissenschaftlich untersucht wurde, war auf einen Unfall zurückzuführen, als 1842 in Frankreich ein Zug entgleiste. Bei dem Unfall wurden über 90 Menschen getötet oder verletzt. Der schottische Ingenieur und Physiker William Rankine (1820-1872) untersuchte das Problem, das er schließlich als Metallermüdung feststellte. Rankine entdeckte, dass die Belastung einer Lokomotivachse diese schließlich brach und den Unfall verursachte

Der Prozess der Metallermüdung variiert erheblich von Material zu Material. In einigen Fällen treten Defekte fast so schnell auf, wie Spannungen und Dehnungen auf das Material ausgeübt werden, und wachsen sehr langsam, bis ein Totalausfall auftritt. In anderen Fällen gibt es keinen offensichtlichen Schaden im Material, bis Ausfall fast auftritt. In den allerletzten Stadien treten dann Defekte auf und entwickeln sich sehr schnell, bevor sie vollständig versagen.Die Menge an Spannung oder Dehnung, die erforderlich ist, um eine Metallermüdung in einem Material zu bewirken — die Ermüdungsgrenze oder Ermüdungsfestigkeit des Materials — hängt von einer Reihe von Faktoren ab. Der erste Faktor ist das Material selbst. Im Allgemeinen tendiert die Ermüdungsgrenze vieler Materialien dazu, etwa ein Viertel bis drei Viertel der Zugfestigkeit des Materials selbst zu betragen. Ein weiterer Faktor ist die Größe der auf das Material ausgeübten Spannung oder Dehnung. Je größer die Spannung oder Dehnung ist, desto eher tritt eine Metallermüdung auf. Schließlich sind Umweltfaktoren an der Metallermüdung beteiligt. Ein Stück Metall, das beispielsweise in eine Salzwasserlösung getaucht wird, zeigt wahrscheinlich früher eine Metallermüdung als dasselbe Metallstück, das an Luft getestet wurde. In ähnlicher Weise neigen Materialien, die einer gewissen Oxidation unterzogen wurden, dazu, Metallermüdung früher zu erfahren als nicht oxidierte Materialien.

Siehe auch Metallherstellung; Schweißen.

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