Ursachen von Ermüdungsrissen

24 nationale Forschungsgruppen sind an dem 2009 von der DFG beilligten Schwerpunktprogramm „Life unendlich“ beteiligt, das die Ursachen von Ermüdungsrissen bei geringer Materialbeanspruchung, aber hohen Belasungszyklen erforscht, etwa bei Eisenbahnradsatzwellen. Koordiniert wird das Programm vom Siegener Lehrstuhl für Materialkunde und Werkstoffprüfung.

Die Forschergruppen werden jährlich mit rund 1,8 Millionen Euro gefördert. Die wissenschaftliche Koordination des DFG-Programms liegt beim Siegener Lehrstuhl für Materialkunde und Werkstoffprüfung unter Federführung von Professor Dr.-Ing. Hans-Jürgen Christ und Dr.-Ing. Martina Zimmermann.

In der vergangenen Woche trafen sich rund 50 Wissenschaftler zu einem Kick-off an der Universität Siegen. Projektleiter und Doktoranden stellten ihre jeweiligen Teilprojekte vor, um in Workshops experimentelle Methoden, zu untersuchende Werkstoffgruppen und Simulationsansätze miteinander zu diskutieren und aufeinander abzustimmen.

Hintergrund der Forschungsinitiative ist, dass bisher zyklisch beanspruchte Bauteile bis zu der geforderten Mindestlebensdauer – ausgedrückt in der so genannten Bruchlastspielzahl – hinsichtlich der maximal erlaubten mechanischen Spannung ausgelegt werden. Bei Bauteilen, für die eine sehr hohe Lastspielzahl gefordert ist, wie z.B. Eisenbahnradsatzwellen, wird als angewandte Kenngröße die Dauerfestigkeit benutzt und als die Spannungsamplitude definiert, bis zu der keine Ermüdungsschädigung und somit unendliche Lebensdauer auftritt.

Neueste Untersuchungen zeigen, dass auch im vermeintlich als dauerfest deklarierten Belastungsbereich nicht für jeden Werkstoff auch von einem unendlichen, dauerfesten Ermüdungsverhalten ausgegangen werden kann, sondern es auch in diesem Bereich zur Rissbildung, Rissausbreitung und damit zum Bauteilversagen kommen kann.

Im Schwerpunktprogramm werden die bei sehr hohen Lastspielzahlen ablaufenden Schädigungsmechanismen materialkundlich analysiert und mechanismenbasiert modelliert. Dies soll zur Entwicklung zuverlässiger und treffsicherer Vorhersagekonzepte für Bauteile mit quasi unendlicher Lebensdauer führen. Untersucht werden sowohl traditionelle Werkstoffe, wie Stähle und Leichtmetalllegierungen, aber auch moderne Verbundwerkstoffe, wie die endlosfaserverstärkten Polymere oder Werkstoffe, wie sie in miniaturisierten, mechanisch beanspruchten Systemen Anwendung finden.

Das Engagement des Teams um Professor Christ beschränkt sich jedoch nicht allein auf die Koordination des Programms. Die Siegener Wissenschaftler sind auch mit zwei eigenen Forschungsprojekten beteiligt.

„In den Präsentationen und den Workshops konnten viele gemeinsame Interessen und Synergien aufgezeigt werden, so dass eine sehr gute Basis für ein lebendiges und konvergent ausgerichtetes Schwerpunktprogramm gegeben ist, die es nun weiter zu entwickeln gilt“, resümierte Professor Christ das zweitägige Treffen. „Der Wunsch nach breitflächigen, fächerübergreifenden Kooperationen hat das Schwerpunktprogramm durch dieses erste Treffen auf einen sehr guten Weg gebracht“, ergänzt Dr. Martina Zimmermann.