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Wenn Metall müde wird

Das Ergebnis der Schadensuntersuchung an einer gebrochenen Maschinenwelle: Der halbelliptische Bereich ausgehend von der rechten Probenseite ist durch zyklische Beanspruchung entstanden (Ermüdungsriss), danach erfolgte der Restgewaltbruch.

Universität Siegen bietet Fortbildungsveranstaltung zum Thema „Ermüdungsverhalten metallischer Werkstoffe“ an. Prof. Christ: „Jedes technische Bauteil muss gegen Materialermüdung ausgelegt werden“.

Wenn Bauteile aus Metall versagen, ist der Schaden oft dramatisch. Das Zugunglück von Eschede 1998 oder der Einsturz einer Brücke in Seoul (Südkorea) 1994 kostete hunderte Menschen das Leben. Beide Unglücke hatten ihre Ursachen in der Materialermüdung. Der Begriff Ermüdung bezeichnet eine allmähliche Schädigung eines Bauteils bis zum Versagen. An der Universität Siegen hat nun unter der Leitung von Prof. Dr.-Ing. habil. Hans-Jürgen Christ (Institut für Werkstofftechnik) ein Fortbildungsseminar zum Thema „Ermüdungsverhalten metallischer Werkstoffe“ stattgefunden.

Aus den tragischen Schadensfällen haben sich unmittelbar Konsequenzen ergeben. Prof. Christ: „Jedes technische Bauteil muss gegen Materialermüdung ausgelegt werden. Die berechnete Lebensdauer muss (deutlich) größer sein als die geforderte Lebensdauer in der Anwendung. Eine dauerfeste Auslegung ist heute zu werkstoffintensiv und widerspricht dem Gedanken des Leichtbaus. Vielmehr bewegt man sich bei fast allen technischen Bauteilen im Bereich der Zeitfestigkeit. Es ist somit unabdingbar, ‚mit Rissen leben zu lernen‘. Man muss deshalb treffsichere Lebensdauerberechnungskonzepte haben, die experimentell abgesichert sind, um Schäden sicher zu vermeiden.“

Um die Kenntnisse für solche Berechnungen zu fördern, richtet die Uni Siegen die Fortbildungsveranstaltung aus. Prof. Christ: „Wir vermitteln den Teilnehmern nicht nur die Theorie, sondern bringen ihnen in kleinen Gruppen im Labor die Experimentiertechnik nahe und veranschaulichen die Anwendung der Theorie. So wird beispielsweise gezeigt, wie ein Ermüdungsriss wächst und wie dieses Wachstum mathematisch beschrieben werden kann. Aus der mathematischen Gleichung ergibt sich dann sofort die Grundgleichung für die Lebensdauerberechnung.“

Fast alle Bauteile der technischen Praxis erleben während ihres Einsatzes eine mechanische Wechselbelastung. Dies führt zu einer Schädigung des Werkstoffs, die Lastwechsel für Lastwechsel zunimmt und schließlich zum Versagen (Bruch des Bauteils) führen kann. Als Stadien der Schädigungsentwicklung bei der Materialermüdung werden üblicherweise die Rissbildung, die Ausbreitung und das Zusammenwachsen kurzer Risse, das allmähliche Wachstum eines langen (fatalen) Risses und schließlich das Versagen betrachtet.

„Wir legen in der Fortbildung den Fokus auf die Mechanismen der Materialermüdung: Was sind die Ursachen, was kann man aus diesen lernen für die Optimierung eines vorhandenen Werkstoffs und die Entwicklung neuer Werkstoffe, welche Konsequenzen ergeben sich aus diesen Mechanismen im Hinblick auf die Entwicklung sicherer Lebensdauerabschätzungskonzepte, uvm. Nur wenn man versteht, was passiert, lassen sich Berechnungsmethoden sinnvoll auf neue Bedingungen anwenden“, sagt Prof. Christ.

Die Forschung beschäftigt sich aktuell unter anderem mit der Frage, ob es eine Schwelle der Belastungshöhe gibt, unterhalb der es zu keiner Schädigung kommt. Ein solches Bauteil hätte eine unendliche Lebensdauer. Diese Fragestellung wird im von Prof. Christ koordinierten und von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) geförderten Schwerpunktprogramm SPP1466 ‚Life - Unendliche Lebensdauer für zyklisch beanspruchte Hochleistungswerkstoffe‘ in 29 Einzelprojekten deutschlandweit untersucht.

Die in Zusammenarbeit mit der Deutschen Gesellschaft für Materialkunde e.V. (DGM) organisierte Fortbildungsveranstaltung wurde bereits zum 13. Male am Lehrstuhl für Materialkunde und Werkstoffprüfung ausgerichtet. Wie schon in den vergangenen Jahren war die Veranstaltung mit 24 Teilnehmeranmeldungen aus Unternehmen im In- und deutschsprachigen Ausland ausgebucht. Ingenieure aus den Forschungs- und Entwicklungsabteilungen von Industrieunternehmen erwarben zur Verbesserung ihrer Produkte ein tieferes Verständnis der werkstoffkundlichen Vorgänge im Zusammenhang mit der Thematik Materialermüdung.