Beanspruchung

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Beanspruchung

Allgemeines

Die Beanspruchungen, denen Werkstoffe während des Gebrauchs zeitweilig oder auch ständig ausgesetzt sein können, sind sehr verschiedenartig. Sie können einzeln oder auch kombiniert auftreten. Im letzteren Fall spricht man auch von komplexen Beanspruchungen. Typische Grundbeanspruchungen während des Gebrauchs sind:

• mechanische Beanspruchungen:
  

→ Wirken von Kräften und Momenten

• chemische Beanspruchungen:
  

→ Angriffe chemischer und elektrochemischer Art auf die Oberfläche

• thermische Beanspruchungen:
  

→ Wirken von konstanten und wechselnden Temperaturen

• strahlungsphysikalische Beanspruchungen:
  

→ Wirken von Licht und ionisierender Strahlung

• tribologische Beanspruchungen:
  

→ in Relativbewegung aufeinander einwirkende Oberflächen – Kontaktdeformation, Reibung und Verschleiß

• biologische Beanspruchungen:
  

→ Wirken von Organismen und Mikroorganismen

Mechanische Beanspruchung

Durch äußere Kräfte/ Belastungen werden in Baueilen/ Konstruktionen örtliche Beanspruchungen in Form von Spannungen, Momenten, Dehnungen oder Verschiebungen hervorgerufen. Zusätzlich können Eigenspannungen wirksam werden, die bei der Herstellung und Verarbeitung der Werkstoffe oder auch beim Zusammenfügen von Bauteilen z. B. durch Maßabweichungen oder beim Schweißen entstehen.

Für einen sicheren Betrieb ist jedes Bauteil für seinen Verwendungszweck beanspruchungsgerecht zu konstruieren und zu prüfen. Die Wirkung der Beanspruchung auf den Werkstoff ist abhängig:

• von der Art und Intensität
• von der Reihenfolge, Dauer und zeitlichen Verlauf der Beanspruchung
• von der Wechselwirkung mit der Umgebung z. B. Temperatur, Medium

Nach der Art der Krafteinwirkung unterscheidet man zwischen Zug-, Druck-, Biege-, Torsion-, Schub- und Scherbeanspruchungen. Nach dem Spannungszustand unterscheidet man zwischen einachsigen und mehrachsigen Beanspruchungen.

Nach dem zeitlichen Verlauf der Beanspruchung unterscheidet man zwischen

• ruhender,
• monoton ansteigender,
• schwingender (zyklischer) und
• stoß-/schlagartiger

Beanspruchung (siehe Bild 1), wobei in der Literatur sowohl die schwingende als auch die stoß- und schlagartige Beanspruchung als "dynamische" Beanspruchung bezeichnet werden.

Bild 1:

Typische Beanspruchungs-Zeit-Funktionen

Beispiele für die einzelnen Beanspruchungsarten sind

• Zeitstandzugversuch, Standzugversuch (statisch)
• Zugversuch, Druckversuch, Biegeversuch, Härteprüfung (quasistatisch)
• Ermüdungsversuch (Dauerschwingversuch)
• Schlag- und Kerbschlagbiegeversuch, Durchstoßversuch, Schlag- und Kerbschlagzugversuch (stoß- bzw. schlagartig).

Statische Beanspruchung

Mit "statisch" wird im Allgemeinen eine Beanspruchung bezeichnet, bei der der Werkstoff einer ruhenden konstanten Belastung unterworfen wird. Im "klassischen" Zugversuch wird die Beanspruchung stetig zunehmend und stoßfrei (quasistatisch) aufgebracht. Die obere Grenze der Beanspruchungsgeschwindigkeit für die quasistatischen Prüfverfahren liegt bei Dehngeschwindigkeiten von 1 s^-1.

Schwingende Beanspruchung

Unter einer schwingenden Beanspruchung wird eine zeitlich wechselnde Beanspruchung (siehe Ermüdung) verstanden. Das Werkstoffprüfverfahren zur Ermittlung von Werkstoffkenngrößen wird als Dauerschwingversuch bezeichnet.

Tribologische Beanspruchung

Unter tribologischer Beanspruchung wird die Beanspruchung der Oberfläche eines Festkörpers durch Kontakt und Relativbewegung eines festen, flüssigen oder gasförmigen Gegenkörpers verstanden. Die tribologische Beanspruchung ist auch dadurch charakterisiert, dass die mechanische Beanspruchung sekundäre thermische, tribochemische physikalische Reaktionen zwischen den beteiligten Elementen des tribologischen Systems auslöst. Sie ist also neben der rein mechanischen, thermischen oder medialen Beanspruchung eine gesonderte Beanspruchungsart, auf Oberflächenbereiche der Werkstoffe konzentriert, welche zum Werkstoffinnern hin abklingt.

Durch tribologische Beanspruchung können Schäden hervorgerufen werden, die zum Versagen von Konstruktionen und Bauteilen führen. Die Schadensphänomene werden detailliert in der VDI-Richtlinie 3822 „Schadensanalyse an Kunststoffprodukten“ beschrieben.

Literaturhinweise

• Dripke, M., Michalzik, G., Bloching, H., Fahrenholz, H.: Mechanische Prüfverfahren und Kenngrößen – kompakt und verständlich. Band 1: Der Zugversuch bei quasistatischer Beanspruchung, Castell-Verlag GmbH, Wuppertal (2002), (ISBN 3-934255-50-7; siehe AMK-Büchersammlung unter C 14)
• VDI 3822 Blatt 2.1.6 (2024-07): Schadensanalyse – Schäden an thermoplastischen Kunststoffprodukten durch tribologische Beanspruchung