Ermüdung bei Elastomeren

Materialermüdung bezeichnet das progressive Versagen eines Werkstoffs unter zyklischer oder dauerhafter Belastung, die für sich genommen – als einmalige statische Last – noch kein Versagen verursachen würde. Das Material wird also nicht durch eine einzelne Überlastung zerstört, sondern durch die wiederholte oder anhaltende Einwirkung einer Kraft, die unterhalb der eigentlichen Belastungsgrenze liegt. Das Tückische daran: Die Schädigung kündigt sich oft nicht sichtbar an und schreitet verborgen im Werkstoffinneren voran.

Wie Ermüdung in Elastomeren entsteht

In Elastomeren beginnt Ermüdung typischerweise mit der Bildung mikroskopisch kleiner Risse – an Fehlstellen in der Vulkanisatstruktur, an Füllstoffagglomeraten, Kerben oder Oberflächendefekten. Unter zyklischer Belastung wachsen diese Mikrorisse mit jedem Lastwechsel weiter. Sobald ein Riss eine kritische Länge erreicht hat, breitet er sich sprunghaft aus – das Material versagt.

Dieser Prozess wird als Ermüdungsrissbildung bezeichnet und ist das charakteristische Schadensbild dynamisch beanspruchter Elastomerbauteile. Betroffen sind vor allem Dichtelemente, die Hubbewegungen oder Druckwechseln ausgesetzt sind, sowie Dämpfungs- und Lagerelemente unter schwingender Last.

Einflussfaktoren

Wie schnell ein Elastomer ermüdet, hängt von mehreren Faktoren ab, die in der Praxis zusammenwirken:

• Belastungsamplitude und -frequenz – höhere Lastwechsel pro Zeiteinheit beschleunigen die Rissausbreitung. Der Zeitschwingversuch ist das Standardverfahren zur Bewertung des dynamischen Ermüdungsverhaltens.
• Temperatur – Wärme und insbesondere Hitze beschleunigt die Alterung und schwächt das Polymernetzwerk zusätzlich.
• Dissipationsenergie (Heat Build-up) – Elastomere wandeln bei jeder Verformung einen Teil der eingebrachten Energie in Wärme um. Bei hohen Frequenzen kann das zu einer massiven Eigenerwärmung des Bauteils führen, die thermische Alterung beschleunigt und die Ermüdungsfestigkeit drastisch senkt.
• Medieneinfluss – Öle, Kraftstoffe oder andere Medien können Quellung verursachen und die mechanischen Eigenschaften des Compounds verändern, was die Ermüdungsresistenz direkt beeinflusst.
• Oberflächenbeschaffenheit und Einbaugeometrie – Kerben, scharfe Kanten in der Aufnahmegeometrie oder unzulässige Deformation beim Einbau sind häufige Ausgangspunkte für Ermüdungsrisse.
• Ozon – bei Elastomeren mit Doppelbindungen im Polymergerüst wie NBR wirkt Ozon synergistisch mit mechanischer Beanspruchung zusammen.

Besonders kritisch: Ozonrisse entstehen nur unter mechanischer Zugspannung – ein entspanntes Bauteil bleibt weitgehend geschützt. Bei dynamischer Belastung werden jedoch ständig neue Rissflanken aufgebrochen, die dem Ozon immer neue Angriffsflächen bieten. Diesen Effekt bezeichnet man als dynamische Ozonung.

Ermüdung und Werkstoffauswahl

Für dynamisch beanspruchte Bauteile ist die Ermüdungsresistenz ein zentrales Auswahlkriterium. Entscheidend sind dabei neben dem Kautschuktyp vor allem das Vernetzungssystem und das Füllstoffpaket: Schwefelvernetzte Compounds mit aktivem Rußfüllstoff zeigen in der Regel bessere dynamische Eigenschaften als peroxidisch vernetzte Qualitäten, die dafür aber einen besseren Druckverformungsrest bieten. Dieser Zielkonflikt ist in der Compound-Entwicklung bekannt und wird je nach Anwendungsprofil unterschiedlich gewichtet.

In der Laborprüfung wird die Ermüdungsresistenz häufig mit dem De-Mattia-Verfahren nach DIN ISO 132 ermittelt, bei dem die Risswachstumsrate eines gekerbten Prüfkörpers unter zyklischer Biegebelastung gemessen wird. Ergänzend kommt der Zeitschwingversuch für dynamisch beanspruchte Bauteile unter definierten Amplituden und Frequenzen zum Einsatz.

Die Zugfestigkeit und der Weiterreißwiderstand sind die statischen Kennwerte, die am engsten mit der Ermüdungsresistenz korrelieren – ein Werkstoff mit hoher Reißfestigkeit und gutem Weiterreißwiderstand ist in der Regel auch unter dynamischer Last widerstandsfähiger.