Versagenskriterien

Die Grundlage der Bauteilauslegung und insbesondere der Festigkeitsberechnung ist das Verständnis von Versagenskriterien.

Dazu müssen wir uns eine Vorstellung davon machen, welche Umstände dazu führen können, dass das auszulegende Bauteil seine Funktion nicht mehr erfüllt, beschädigt oder sogar zerstört wird. Dabei sind nicht nur die rechnerischen mechanischen Belastungen relevant, sondern auch Umgebungseinflüsse wie Temperatur oder korrosive Medien sowie die Änderung von Werkstoffkennwerten über die Zeit oder Zyklenzahl ("Ermüdung").

Die häufigsten Versagensarten kurz erläutert:

Elastische Verformung

Unter Belastung verformt sich jeder Werkstoff und das ist nicht grundsätzlich ein Problem.

Wenn die Belastung des Werkstoffes im linear-elastischen Bereich nach Hooke liegt (siehe unten) wird das Bauteil selbst unmittelbar nicht geschädigt, sondern kehrt in seine Ausgangsform zurück, wenn die Belastung endet.

Ist die Verformung jedoch so groß, dass die Funktion des Bauteils nicht mehr erfüllt wird, führt auch die elastische Verformung zu Bauteilversagen. Das ist zum Beispiel der Fall, wenn sich das Bauteil wegen der Verformung verklemmt, sich aus einer Führung löst oder ähnliches. Um das zu vermeiden müssen Bauteile so ausgelegt sein, dass die Verformung auch bei maximaler Belastung noch eine problemlose Funktion zulässt.

Plastische Verformung

Die Belastung des Bauteils führt zu einer Verformung, die außerhalb des oben beschriebenen linear-elastischen Bereichs liegt.

Das Bauteil wird dabei dauerhaft ("plastisch") verformt, bricht aber (noch) nicht. Danach, also bei Entlastung, sind die Maße des Bauteils verändert, was in der Regel eine (mit etwas Glück allmähliche) Verschlechterung oder den Verlust der Funktionsfähigkeit bedeutet. Entsprechend müssen Bauteile so ausgelegt werden, dass sie bei allen erwartbaren Belastungen unter der sogenannten Elastizitätsgrenze bleiben.

Knickung

Die Knickung ist genaugenommen eine Nebenwirkung von elastischer oder plastischer Verformung.

Sie ist insbesondere bei langen und dünnen Bauteilen mit Druckbeanspruchung in der Längsachse von Bedeutung, wenn durch die Verformung der Kraftfluss so verändert wird, dass zusätzliche Biegespannung auftritt, die wiederum die Verformung vergrößert und so weiter. Die Knickung ist also eine Folge einer belastungserhöhenden Verformung und tritt durch den selbstverstärkenden Effekt meist sehr plötzlich ein. Deshalb werden gegen Knickung meist hohe Sicherheiten von mindestens 3,5 gefordert.

Anbei eine bildliche Darstellung der sogenannten Eulerschen Knickung! Aus diesen Bildern kann man sehr schön sehen, was unter Knickung zu verstehen ist.

Dauerbruch

Ein Dauerbruch entsteht, wenn wiederholt Lastspitzen die Belastbarkeit des Materials verhältnismäßig wenig überschreiten. Bei jeder Lastspitze reißt das Bauteil an der spannungsmäßig kritischen Stelle etwas weiter ein. Dadurch entstehen charakteristische Rastlinien im ansonsten glatten Bruchbild. Mit jeder Lastspitze reduziert sich der verbleibende tragende Querschnitt, so dass die vom Bauteil ertragbare Belastung immer weiter sinkt und der Schadensfortschritt sich beschleunigt. Am Ende dieses Prozesses ist der verbleibende Querschnitt so klein, dass es auch bei gleichbleibender Höhe der Lastspitzen zum Gewaltbruch kommt. Bei dynamisch belasteten Bauteilen muss also zusätzlich zur statischen Tragfähigkeit auch die Dauerfestigkeit ermittelt und in die Dimensionierung einbezogen werden.

Gewaltbruch

Wenn die Belastung deutlich größer ist als die Tragfähigkeit eines Bauteils, bricht es schlagartig an seiner schwächsten Stelle bzw. der Stelle mit der größten Spannung. Die Bruchoberfläche ist dann zerklüftet und zeigt die Rauheit der Kristallstruktur. Ein Gewaltbruch kann beabsichtigt sein, wenn zum Überlastschutz eine Sollbruchstelle in Form eines leicht zu tauschenden "Opferteils" vorgesehen wird, die deutlich vor allen anderen Komponenten versagt. Zu Gewaltbrüchen ohne vorherigen Dauerbruch oder plastische Verformung kommt es normalerweise nur, wenn bei der Konstruktion oder Herstellung Fehler gemacht wurden oder ein Teil einer unzulässigen Belastung ausgesetzt wird.

Expertentipp

Hier klicken zum Ausklappen

Meist ist an der Bruchfläche zu erkennen, wenn ein Dauerbruch einem endgültigen Bauteilversagen durch Gewaltbruch vorausgegangen ist.

Beim Gewaltbruch ist die gebrochene Oberfläche ein einziges Bruchbild; bei einem Dauerbruch zeigen sich nach dem Bruch in der Regel Rastlinien, die ein schrittweises Überlasten erkennen lassen. Meist beginnt der Bruch als Dauer- oder Schwingbruch; ist die Belastbarkeit des Bauteils durch Verringern des tragenden Bereiches zu groß, endet der Rest meist in einem Gewaltbruch.

Die Bruchfläche sieht allgemein wie in der folgenden Darstrellung aus:

 

 Verschleiß

Die häufigste Verschleißform ist die Abrasion: Wenn Bauteile aufeinander reiben wird Material abgetragen. In welchem Umfang das an welchem der beteiligten Teile passiert hängt maßgeblich von den Oberflächenhärten der Bauteile ab. Weitere wesentliche Einflüsse haben die Schmierung und die Beschaffenheit und Menge des an der Reibfläche vorhandenen Schmutzes.
Bei bestimmten Materialkombinationen kann es außerdem zu Materialübertrag, also Kaltverschweißung, kommen. Dafür sind besonders Metalle mit hexagonaler Gitterstruktur anfällig, aber auch einige kubische Stähle. Reibkombinationen mit solchen Materialien sollten vermieden oder durch geeignete Oberflächenveredelungsverfahren geschützt werden.

Korrosion

Abhängig von der chemischen Beschaffenheit der Medien, mit denen ein Bauteil in Berührung kommt, können fast alle Werkstoffe korrodieren. Die häufigste Korrosionsursache sind in Wasser gelöste Salze. Hier ist besonders zu beachten, dass bei erhöhten Temperaturen das Wasser verdunstet und die Salzkonzentration insbesondere in Spalten dadurch stark ansteigen kann.
Die eingesetzten Materialien müssen passend zu den erwarteten chemischen Belastungen gewählt oder durch Oberflächenveredelung vor Korrosion geschützt werden. Achtung: Einige Oberflächenverfahren wie das Nitrieren können auch die Korrosionsfestigkeit negativ beeinflussen!

Im Bild wird links ein Lagerring eines Wälzlagers von Schaeffler gezeigt, der mit einer sogenannten Corretect-Beschichtung versehen wurde, einer polymerbasierten Beschichtung zur Verhinderung von Korrosionen; rechts der Lagerring ohne eine solche Beschichtung nach etwa gleich langem Einsatz. Der rechte Lagerring wird sicherlich wesentlich früher beim Betrieb zum Versagen führen.