Mechanisches Versagen

Material- oder Werkstoffversagen

Zusammenfassung

Kontext

Diese Versagensarten haben lokale Ursachen, die insbesondere von der Größe des versagenden Körpers unabhängig sind und innere Punkte im Inneren lassen (keine Rissbildung).

Plastische Verformung

Die plastische Verformbarkeit eines Werkstoffs kann in der Herstellung erwünscht sein und ausgenutzt werden, beispielsweise beim Tiefziehen oder Schmieden. Im Betrieb kann plastische Verformung jedoch zum Versagen führen, da bei ihr große Deformationen auftreten. Dann kann die Grenze zwischen elastischer- und plastischer Verformung ein Versagenskriterium sein. Die Zugfestigkeit ist im Allgemeinen nur wenig größer als die Fließgrenze,^[1]^:110 sodass ihr Erreichen einen Bruch ankündigt und bei rechtzeitigem Erkennen Abhilfe geschaffen werden kann.^[1]^:63

Ermüdungsversagen

Die ständige Wiederholung gleicher oder ähnlicher Belastungen kann zu Materialermüdung führen, nach der der Werkstoff nur noch geringere Lasten als im statischen Fall erträgt. Ein Versagen muss sich auch bei duktilen Materialien nicht durch große plastische Deformationen oder äußerlich sichtbare Risse ankündigen, so dass eine Bauteilschädigung schwieriger zu erkennen ist als bei statischer Beanspruchung und die Gefahr katastrophalen Versagens deshalb besonders groß ist.^[1]^:335 Metalle, Keramiken, Polymere und Faserverbundwerkstoffe zeigen für sie typisches Ermüdungsverhalten und damit Ermüdungsversagen.^[1]^:339ff

Korrosion

Korrosion kann zu Rissen und Brüchen führen. Beispielsweise reduziert sich durch Wasserstoffversprödung bei hochfesten metallischen Werkstoffen, insbesondere ferritischen Stählen, ihre Spaltfestigkeit, sodass Spaltbrüche – auch durch Eigenspannungen – begünstigt werden.^[1]^:117 Weiters kann ein korrosives Medium in Risse eindringen und lokal die Bruchzähigkeit vermindern. Der Riss kann dann auch bei unterkritischer Belastung weiterwachsen, bis er auf ungeschädigtes Material trifft, wo sich der Vorgang wiederholt, der als unterkritisches Risswachstum bezeichnet wird.^[1]^:150

Sprödes Versagen

Das spröde Versagen ist nicht vorhersehbar und sehr gefährlich, da es zu keiner Ankündigung des Versagens kommt.^[4] Beispiele für spröde versagende Werkstoffe sind keramische Werkstoffe, Stein und Beton.

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Bauteilversagen

Zusammenfassung

Kontext

Bauteilversagen liegt vor, wenn ein Bauteil den Festigkeitsnachweis nicht besteht.^[5] Dieser zeigt auf, ob die Belastbarkeit einer Konstruktion bzw. die Festigkeit des Werkstoffs mit ausreichender Sicherheit ein mechanisches Versagen unter den vorgesehenen Belastungen und den maßgebenden Bedingungen ausschließen. Analoge Aufgaben haben der Tragfähigkeits-, Stabilitäts- oder Standsicherheitsnachweis.

Die hier aufgeführten Versagensarten sind von der Form des versagenden Körpers abhängig oder basieren auf Rissbildung.

Rissbildung und Bruch

Die kritischste Art des Versagens ist der Bruch oder Ausbruch bzw. das Reißen oder Spalten, bei dem ein komplettes Bauteilversagen auftritt.^[4] Brüche und Risse können in drei Klassen eingeteilt werden:^[1]^:110

mechanisch bedingte, mit den Unterarten
- Gewaltbruch, bei dem die Belastung, die diesen Bruch ausgelöst hat, vorwiegend monoton sowie mäßig schnell bis schlagartig bis zum Bruch gesteigert wurde,^[1]^:110
- Schwingbruch oder Ermüdungsbruch, durch zyklische Belastungen,^[1]^:110
- Spaltbruch, der mikroskopisch (nahezu) verformungslos senkrecht zur größten Zugspannung erfolgt.^[1]^:113
- Gleitbruch: Er bildet sich unter plastischer Verformung durch Abgleiten in Richtung der Ebenen maximaler Schubspannung. Er tritt deshalb nur bei duktilem Werkstoffverhalten auf. Mikroskopisch ist ein Gleitbruch immer duktil, kann aber bei Behinderung von Verformungen makroskopisch als Sprödbruch auftreten.^[1]^:110
Kriechbruch bei länger kriechbeanspruchten Werkstoffen, wo das Material meist nicht im Korninneren, sondern überwiegend an den Korngrenzen versagt.^[1]^:402
korrosionsbedingte Risse und Brüche, siehe oben.

Elastische Verformung

Materialien können per definitionem ohne Schaden zu nehmen elastische Verformungen ertragen. Wenn diese jedoch so groß sind, dass die Funktion des Bauteils nicht mehr erfüllt wird, führt auch die elastische Verformung zu Bauteilversagen.^[6]

Stabilitätsversagen

Beim Stabilitätsversagen knickt beispielsweise eine unter Druck beanspruchte Stütze seitlich aus, bevor diese ihre Grenze der aufnehmbaren Spannungen erreicht. Biegeträger können unter Biegeknicken versagen, bei welchem die Druckgurte der Biegeträger, also i. d. R. die obere Seite der Balken seitlich wegknicken. Bei Walzprofilen aus Stahl, wie z. B. den Doppel-T-Trägern kann zusätzlich noch ein Biegedrillknicken auftreten.^[4] Das Beulen ist die Entsprechung bei Flächentragwerken.