Die Anatomie des Ermüdungsversagens verstehen

Die spezialisierten Wägezellen von Interface mit Ermüdungsbewertung werden üblicherweise für Ermüdungstests verwendet. Bei dieser Test- und Messanwendung, die manchmal auch als Lebensdauertest bezeichnet wird, wird ermittelt, wie lange das Produkt seine normale Funktion ausüben kann.

Ermüdungsprüfungen dienen der Validierung sicherer und zuverlässiger Produktkonstruktionen und Strukturen sowie der Bestimmung des Zerstörungspunkts. Durch das Verständnis des Ermüdungsverhaltens von Werkstoffen, Bauteilen und Baugruppen können Ingenieure Produkte entwickeln, die gegen Ermüdungsbrüche resistent sind.

Entscheidend für die Ermüdungsprüfung ist die Qualität des Messgeräts. Es ist wichtig, die elektrischen, mechanischen und leistungsbezogenen Spezifikationen der Wägezelle zu kennen, bevor sie für Ermüdungsprüfungen eingesetzt wird. Dieser erste Schritt hilft zu bestätigen, dass die Wägezelle so konstruiert ist, dass sie den Zyklus- und Belastungsanforderungen der Prüfung standhalten kann – mit anderen Worten, um sicherzustellen, dass die Wägezelle während der Ermüdungsprüfung nicht versagt.

Experten für Schnittstellenkraftmessung erläutern die Anatomie des Ermüdungsversagens in unserem beliebten Interface Load Cell Field Guide. Das ultimative Handbuch für Wägezellen steht hier zum Download bereit.

Theorie des Ermüdungsversagens

Es ist allgemein bekannt, dass Metalle bei statischer Belastung versagen, wenn die Streckgrenze überschritten wird. Da Wägezellen strukturelle Vorrichtungen sind, die während ihres normalen Gebrauchs beansprucht werden, werden sie üblicherweise mit einer Überlastgrenze versehen, um die Größe der statischen Belastung zu charakterisieren, der sie standhalten können, ohne strukturell zu versagen.

Alle Metallkonstruktionen, einschließlich Wägezellen, können jedoch auch bei wiederholten Belastungen versagen, die weit unter der zulässigen Überlast liegen. Dieses Phänomen wird als Ermüdungsbruch bezeichnet, da die Spannung, die ein Metall unter zyklischer Belastung aushalten kann, mit zunehmender Anzahl der zyklischen Belastungen immer geringer wird.

Die Ursache für diese scheinbare Anomalie lässt sich dadurch erklären, dass Metalle in der Regel keine vollkommen homogenen Festkörper sind. Sie bestehen aus Kristallen, und an Stellen, die als Korngrenzen bezeichnet werden, entlang von Gleitebenen oder im Bereich eines mikroskopischen Defekts können unter Belastung winzige Dehnungen auftreten, die sich bei der Entlastung nicht vollständig umkehren, so dass das Material am Ende eines jeden vollständigen Zyklus eine leichte plastische Verformung aufweist. Dieser Effekt hängt stark von der Höhe der Belastung und der Anzahl der Zyklen ab.

Es ist allgemein anerkannt, dass sich ein strukturelles Ermüdungsversagen in drei Stufen entwickelt:

• Bei wiederholten Zyklen kommt es zu einer lokalen plastischen Verformung, und ein mikroskopischer Riss entsteht.
• Der Riss breitet sich aus, und ein größerer Abschnitt wird geschwächt.
• Die Spannungskonzentration im Rissabschnitt nimmt rasch zu, und durch fortgesetzte Zyklen vergrößert sich der Riss, bis es zu einem plötzlichen Bruch kommt.

Vorhersage der Ermüdungslebensdauer

Eine genaue Vorhersage der Ermüdungslebensdauer einer beliebigen Struktur ist nicht möglich. Gut kontrollierte Tests an den einfachsten Konfigurationen von Prüfkörpern führen zu einer großen Streuung der Ergebnisse. Die Analyse ist sogar noch komplexer, wenn die Struktur typisch für eine Kraftmessdose ist. Theoretische Analysen können jedoch Näherungswerte liefern, die bei der Abschätzung der Sicherheitsspanne, mit der eine bestimmte Wägezellenkonstruktion arbeitet, nützlich sein können.

In der Werkstoffkunde ist die S-N-Kurve ein bekanntes Werkzeug. Sie stellt die Lastzyklen dar, die erforderlich sind, um eine Probe bei zyklischen Spitzenspannungen zu brechen. Somit kann die Ermüdungslebensdauer angenähert werden, wenn das Spannungsniveau bekannt ist. Einige Faktoren erschweren jedoch die Charakterisierung der Ermüdungslebensdauer.

Die Ermüdungsfestigkeit einer Wägezelle ist eine eindeutige Spezifikation, die eine Lebensdauer von bis zu 100 Millionen vollständig umgekehrten Lastzyklen bei voller Nennkapazität garantiert. Wägezellen werden in der Regel in Prüfmaschinen oder -geräte integriert.