Können Werkstoffe müde werden?

Kommentare (23)

1. #1 Lei Tung™

   12. Oktober 2010

   Der Vergleich mit dem Fahrrad-Pedal trifft nur für Sonntagsradler zu. Profis ziehen ebenso wie sie zutreten, unter anderem deswegen sind sie ja an die Pedale geschnallt. Die Dauerbelastung ist notwendig, damit ihnen das Dopingmittel nicht bei den Ohren austritt 😉

2. #2 Lei Tung™

   12. Oktober 2010

   Der Vergleich mit dem Fahrrad-Pedal trifft nur für Sonntagsradler zu. Profis ziehen ebenso wie sie zutreten, unter anderem deswegen sind sie ja an die Pedale geschnallt. Die Dauerbelastung ist notwendig, damit ihnen das Dopingmittel nicht bei den Ohren austritt 😉

3. #3 Lei Tung™

   12. Oktober 2010

   Der Vergleich mit dem Fahrrad-Pedal trifft nur für Sonntagsradler zu. Profis ziehen ebenso wie sie zutreten, unter anderem deswegen sind sie ja an die Pedale geschnallt. Die Dauerbelastung ist notwendig, damit ihnen das Dopingmittel nicht bei den Ohren austritt 😉

4. #4 Maulwurf

   12. Oktober 2010

   Doch stellt sich die Frage warum die Risse entstehen. Habe mal etwas von Phasenumwandlung z.B. von γ-Eisen nach α-Eisen (bei Kunststoffen gilt das ja auch). Und Phasendiagramme sind nicht nur Temperaturabhängig sondern auch z.B. Druckabhängig.
   Deshalb, in wie weit müssen diese Faktoren in die Berechnungen von Stabilitäten einbezogen werden, oder sind diese Faktoren für diese Berechnung nicht relevant?

5. #5 MartinB

   12. Oktober 2010

   @Maulwurf
   Die Phasenumwandlungen selbst sind bei Raumtemperatur wenig relevant – dort sind es vor allem Versetzungsbewegungen an der Oberfläche, die Risse initiieren.
   Was in manchen Werkstoffen (beispielsweise auch Eisen) wichtig sein kann ist, dass Risse auch im Inneren an Ausscheidungen oder Phasengrenzen initiiert werden können, beispielsweise weil die Phasen unterschiedliche Volumina haben und sich dadurch Spannungen bilden. Da gab es reichlich Schadensfälle in der Vergangenheit durch falsche Wärmebehandlung, bei denen sich böse AUsscheidungsteilchen gebildet haben – Details müsste ich aber nachgucken.

6. #6 IsabellaP

   12. Oktober 2010

   Ist der Außendruck, resp. sein Unterschied außen – innen, auf das Material von Belang?Wenn eine Materialwand auf einer Seite zB im Vakuum liegt und die andere Seite unter hohem Luftdruck steht, weiten sich dann die Mikrorisse rascher? Ist ist nur die mechanische Belastung das Kriterium?

7. #7 MartinB

   12. Oktober 2010

   @IsabellaP
   Gute Frage, muss ich selbst mal nachrechnen:
   der normale Luftdruck ist ja so etwa 1000 Hektopascal, das sind also 0,1 Megapascal. Die Spannung in einer rechteckigen Platte mit Länge L und Dicke d ist laut meiner Formelsammlung 2pL^2/d^2, da kommt man also schnell auf nennenswerte Spannungen.

   Bei großen dünnen Platten sollte das also tatsächlich relevant werden, allerdings müsste man, damit man Versagen durch Ermüdung bekommt, sehr oft den Druck auf- und abbauen.
   Relevant ist vermutlich die Auslegung auf Zeitfestigkeit (für einige Tausend oder Zehntausend Belastungszyklen, wenn ich mir z.B. ein Flugzeug vorstelle, das einmal am Tag fliegt), die dürfte typischerweise oberhalb von 50MPa liegen. Flugzeugbauer müssen das aber sicher bei der Auslegung berücksichtigen. (Zufällig einer da, der das weiß?)

8. #8 black|ce-

   12. Oktober 2010

   danke für den informativen post 😉

   (müsste ich eigtl. unter die meisten postings auf sb setzen, aber da ich angehender maschbaustudent bin.. dacht ich mir ‘s passt ;))

9. #9 Frenk

   12. Oktober 2010

   @Martin: Danke für den klaren Artikel mit Alltagsbezug.

   Am letzten Wochenende waren wir wieder einmal im Vitra Design Museum in Weil am Rhein. Für uns Basler ein Katzensprung und immer wieder spannend. Ich kann den Besuch empfehlen, schon nur wegen der Architektur von Frank O. Gehry, Zaha Hadid oder Herzog & De Meuron. Dieses mal durften wir – am Sonntag morgen – einer Werksführung beiwohnen, bei der uns die mechanische Belastungsprüfung der Möbel gezeigt wurde.

   Vitra verwendet übliche Normen, wie etwa von TÜV oder EMPA, und geht aus Qualitätsgründen noch 20% höher. Ein typischer Bürostuhl oder ein Sessel wird für den Lebenszyklus von 15 Jahren mit 110 kg, 8 Stunden pro Tag getestet. Das ist etwas mehr als ein IKEA-Stuhl aushalten muss. Daneben werde Nähte und Textilien auf Durchscheuerungsfestigkeit getestet. Schon mancher Designer musste nach kurzer Zeit resignieren und ein anderes Material wählen. Gewisse Färbeverfahren des Materials oder UV-Belichtung kann die Ermüdung offenbar auch beschleunigen (Polymere). Neben dem normalen Gebrauch des Möbels werden auch kuriose Verhaltenweisen von Menschen simuliert, wie z.B. Sitzen nur auf der Armlehne oder stehendes Anlehnen und Wippen an eine Bürostuhl-Rückenlehne von hinten – das hat auch schon zu Brüchen geführt mit Produktenhaftungsklagen.

   P.S. Für die USA werden die Belastungskräfte übrigens grundsätzlich verdoppelt…;-)

10. #10 Jan

    13. Oktober 2010

    Frage: Stimmt es, dass sich die Risserweiterung im Lauf der Zeit bei normalen Materialien beschleunigt, bei Knochen aber nicht? Grund: die Kraefte an der Riss-Spitze werden groesser, je laenger der Riss ist, das Volumen an Material, das die Kraft aufnehmen muss, aber nicht (bei normalem Material). Im Gegensatz dazu wird bei Knochen die Region, die mehr Kraft aufnimmt, groesser (Knochengewebe ist nicht homogen). Hab’s bei ‘nem Vortrag aufgeschnappt. Ist da was dran?

11. #11 MartinB

    14. Oktober 2010

    @Jan
    Bei normalen Materialien beschleunigt sich das Risswachstum tatsächlich (da gibt es extra sogenannte da/dN-Kurven, die das beschreiben und mit denen man bis zum nächsten Prüfintervall auslegen kann, falls ein Riss detektiert wird.)
    In Knochen ist es meines Wissens so wie in vielen Verbundwerkstoffen:
    Ein Mikroriss im Knochen wächst ein Stück, bis er auf einen Bereich mit höherer Festigkeit trifft oder durch die Mikrostruktur in eine ungünstigere Richtung umgelenkt wird, weil das Material inhomogen ist, dann bildet sich anderswo ein Mikroriss usw.
    Ich weiß aber nicht genau, wie das Versagen bei echten Ermüdungsbrüchen aussieht – ich vermute, dass hier mehrere Mikrorisse zusammenwachsen und dann kritisch werden, hab dazu aber keine Quelle.
    Über Knochen werde ich aber sicher nochmal irgendwann was schreiben.

12. #12 Sebastian

    14. Oktober 2010

    @ IsabellaP
    Grundsätzlich nein. Druckbelastungen werden wie andere (mechanische) Lasten behandelt. Der Unterschied ist, dass man mechanische Lasten häufig Punktförmig angreifen lässt (das vereinfacht die Berechnung) und Drucklasten praktisch immer als Flächenlasten.
    Druckbehälter werden häufig nur dauerfest ausgelegt. Letztendlich ist das eine Geldfrage. Je dicker die Wand, desto geringer die Spannung und entsprechend kleiner ist das Rißwachstum. Ist die (lokale) Spannung so klein, dass kein Rißwachstum stattfindet, spricht man von Dauerfestigkeit.
    Falls Du ein praktisches Problem damit hast: den rechtlichen Rahmen bildet die Druckbehälterverordnung. Berechnen lässt sich vieles mit den AD-Merkblättern.
    Oder es war nur Wissbegierigkeit 😉

    Sebastian

13. #13 IsabellaP

    14. Oktober 2010

    @ Sebastian: es war nur Wissbegierigkeit! Dachte an das Beispiel Flugzeuge, wie auch von Martin erwähnt und auch an Spaceshuttles und Co.

14. #14 Jan

    14. Oktober 2010

    Bzgl Knochen: der Trick am Knochen ist wohl, dass er nicht einfach inhomogen, sondern hierarchisch aufgebaut ist. (Der Vortragende war Huajian Gao, Brown).

15. #15 MartinB

    14. Oktober 2010

    Ein Bild zum Knochenaufbau hab ich hier gezeigt:
    https://www.scienceblogs.de/hier-wohnen-drachen/2010/08/knochen-zahigkeit-durch-zufall.php
    Werd ich sicher nochmal drauf zurückkommen.

16. #16 Basilius

    15. Oktober 2010

    Danke Martin, das war wieder mal ein sehr interessanter Artikel. Sollte ich eigentlich alles schon mal gehört haben, aber wenn man es doch nicht täglich braucht, dann verfliegt so manches… irgendwie…ein Sieb wie ein Gedächtnis.
    Von einem Marschbruch bei Knochen habe ich allerdings noch nie gehört. Das ist mir völlig neu gewesen. Man lernt einfach immer noch dazu.
    Aus irgendeinem Grund ist dieser Kommentar im Spamfilter hängengeblieben, habe ich erst jetzt germrkt. ‘Tschuldigung

17. #17 roel

    7. April 2011

    @MartinB “In Metallen und Polymeren ist Ermüdung aber ein häufiges Problem und muss bei jeder Konstruktion unbedingt berücksichtigt werden.”

    aus https://www.spiegel.de/wissenschaft/technik/0,1518,755393,00.html :

    “”Vor diesem Unfall war unser Plan, mit den Inspektionen bei 60.000 Flügen zu beginnen”…”Auch das Unglücksflugzeug habe in seiner 15-jährigen Dienstzeit nur rund 39.000 Flüge absolviert. “Wir sind alle beunruhigt über die jüngsten Entwicklungen”, sagte Richter.” ”

    Es muß natürlich auch der richtige Zeitraum berücksichtigt werden. In diesem Fall haben die Bleche nur 2/3 der Starts und Landungen absolviert. Ich habe das mal hochgerechnet, das sind mehr als 7 Flüge täglich 15 Jahre lang, die das Blech gehalten hat. Das finde ich schon enorm und eine erste Inspektion an den betroffenen Teilen nach (rechnerisch) 23 Jahren finde ich sehr gewagt.

18. #18 MartinB

    7. April 2011

    @roel
    40000 Zyklen sind jetzt aber nicht so schrecklich viel – das ist noch deutlich im Zeitfestigkeitsbereich und noch einigermaßen dicht an niederzyklischem versagen (der Bereich geht so bis 10000 Zyklen). Insofern finde ich es nicht verwunderlich, dass man erst bei 60000 Zyklen gucken wollte, wenn das Bauteil für 100000 oder so ausgelegt wurde.
    Sich so arg zu verschätzen, finde ich aber schon ziemlich arg – ob da wohl irgendein Effekt (Temperatureinfluss, Druckschwankungen) nicht korrekt eingerechnet wurde?

19. #19 Bullet

    7. April 2011

    @MartinB:

    Bei großen dünnen Platten sollte das also tatsächlich relevant werden, allerdings müsste man, damit man Versagen durch Ermüdung bekommt, sehr oft den Druck auf- und abbauen.
    Relevant ist vermutlich die Auslegung auf Zeitfestigkeit (für einige Tausend oder Zehntausend Belastungszyklen, wenn ich mir z.B. ein Flugzeug vorstelle, das einmal am Tag fliegt), die dürfte typischerweise oberhalb von 50MPa liegen. Flugzeugbauer müssen das aber sicher bei der Auslegung berücksichtigen. (Zufällig einer da, der das weiß?)

    Ich hab dazu nur eins im Kopf:
    https://de.wikipedia.org/wiki/De_Havilland_DH_106#Unfallserie

20. #20 BreitSide

    9. April 2011

    Bullet: genau diesen Fall hatten sie uns in Maschinenkonstruktionslehre vorgeführt. Und wie er durch wahrlich detektivische Arbeit – und einen riesigen Aufwand – geklärt wurde.

    Und – wie durch einen Zufall – kam letztens eine – sehr ausführliche – Doku in n24 über exakt diesen Vorfall. Das fand ich doch sehr interessant. Fast wie einen Flashback.

21. #21 MartinB

    10. April 2011

    @Bullet
    Mein Chef hält gerade eine Vorlesung über Schadensfälle – ich hab den Link gleich weitergeleitet, dann werden demnächst vielleicht unsere Studis auch was davon haben.

22. #22 Spritkopf

    11. Februar 2015

    Mit viereinhalb Jahren Verspätung entdeckt:

    Der Vergleich mit dem Fahrrad-Pedal trifft nur für Sonntagsradler zu. Profis ziehen ebenso wie sie zutreten, unter anderem deswegen sind sie ja an die Pedale geschnallt.

    Das stelle ich schwer in Frage.

    Erstens übt auch der Profi am unteren und oberen Totpunkt keine Kraft aus. Und zweitens ist die Kraft, die beim Ziehen am Pedal in der Aufwärtsphase ausgeübt wird, im Vergleich zum Druck beim Abwärtstreten eher vernachlässigenswert. Wer es nicht glaubt, setze sich auf ein SRM-Ergometer und mache eine Tretkraftanalyse, bei dem er mit nur einem Bein tritt.

23. #23 Melix

    18. Januar 2016

    Sooo schööööön erklärt
    ich hoffe gern, dass noch solche Themen von Bruch kommt
    Vieleeeen Daanke