Kerben (Notches) und ihre Wirkung auf das mechanische Werkstoffverhalten

Eine Kerbe (Notch) ist eine lokale Geometrie- oder Gefügeunregelmäßigkeit, die zu einer lokalen Spannungs- und Dehnungsüberhöhung führt. In der Werkstoffmechanik werden sowohl geometrische Kerben (z. B. Nuten, Bohrungen, Schultern, Kerbradien in Proben) als auch metallurgische Kerben (z. B. Einschlüsse, Poren, Phasengrenzen) unterschieden.

Zentrale Größe zur Beschreibung der Kerbwirkung ist die Kerbwirkungszahl bzw. der Spannungskonzentrationsfaktor, der das Verhältnis der lokalen maximalen Spannung zur Nennspannung angibt. Die Kerbgeometrie (Kerbgrundradius, Kerbtiefe, Öffnungswinkel) sowie der elastische und plastische Werkstoffzustand bestimmen die Ausprägung der Kerbspannung. Scharfe Kerben mit kleinem Radius erzeugen sehr hohe Spannungsspitzen und begünstigen Rissinitiierung.

Kerben sind dominant für Ermüdungsversagen, da Risse bevorzugt an Kerbstellen initiieren. Unter zyklischer Belastung wird daher zwischen der rein geometrischen Spannungskonzentration und der werkstoffspezifischen ermüdungstechnischen Kerbempfindlichkeit unterschieden. Zähere, duktilere Werkstoffe können Kerbspannungen durch lokale Plastifizierung teilweise relaxieren, spröde Werkstoffe sind stärker kerbempfindlich.

In der Bauteilauslegung werden Notches in analytischen und numerischen Modellen (z. B. FEM) explizit abgebildet, um Festigkeit, Lebensdauer und Bruchverhalten realistisch zu prognostizieren. Die gezielte Gestaltung der Kerbgeometrie (z. B. Vergrößerung des Kerbradius, Glättung von Übergängen) ist ein wesentlicher Ansatz zur Erhöhung der Betriebsfestigkeit.

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