Dauerfestigkeit

Aus Lexikon der Kunststoffprüfung
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Dauerfestigkeit oder Dauerschwingfestigkeit

Inhaltsverzeichnis

Ermittlung der Dauerfestigkeit

Das Ziel eines Dauerschwingversuches oder Ermüdungsversuchs besteht in der Ermittlung einer Dauerschwingfestigkeit oder kurz Dauerfestigkeit σD genannt. Dabei charakterisiert σD die größte Spannungsamplitude σa, die ein Prüfkörper unendlich oft und ohne unzulässige Verformung aushält. Bei allen Spannungsamplituden oberhalb von σD erfolgt der Bruch des Prüfkörpers. Da diese Zerstörung des Kunststoffprüfkörpers im linear-elastischen bzw. linear-viskoelastischen Verformungsbereich erfolgt, spricht man in diesem Zusammenhang von Ermüdung. Die auftretenden Brüche werden als Ermüdungsbrüche bezeichnet.

Die Indizierung erfolgt mit Großbuchstaben um zwischen den einzustellenden Beanspruchungsparametern und Kennwerten der Schwingfestigkeit unterscheiden zu können. Die Kennzeichnung der Beanspruchung­sart erfolgt über "z" für Zug, "d" für Druck bzw. "b" für Biegung.

Bsp.: σzD... Dauerfestigkeit im Zugwechselbereich

Häufig benutzte Sonderfälle der Dauerschwingfestigkeit sind:

  • Die Wechselfestigkeit σW = σa = σo = |σu| für σm = 0.
  • Die Schwellfestigkeit σSch = 2 σa für σm = σa.
  • Die Zeitschwingfestigkeit σ(N) charakterisiert die Spannungsamplituden oberhalb von σD, bei denen ein Ermüdungsbruch des Prüfkörpers eintritt.
  • σz(6) bedeutet Zeitfestigkeit im Zugwechselbereich von 106 Lastwechseln.

N ist dabei immer die Schwingspielzahl oder Lastwechselzahl und Nc die Grenzschwingzahl, die ohne Bruch des Prüfkörpers erreicht wird.

Die Durchführung von WÖHLER-Versuchen

Die Dauerfestigkeit wird im WÖHLER-Versuch ermittelt. Er besteht aus einer Folge von Einstufenschwingversuchen, d. h. mit Beanspruchungszyklen konstanter Amplitude σa bei gleichbleibender Mittelspannung σm bzw. konstantem Spannungsverhältnis R.

Die Beanspruchung sollte dabei so gewählt werden, dass mindestens ein Prüfkörper bei geringer Schwingspielzahl bricht und ein weiterer Prüfkörper bis zur Grenzschwingspielzahl NC durchläuft. Die gewählten Spannungsamplituden σa werden in Abhängigkeit von der bis zum Bruch ertragenen Schwingspielzahl N im doppelt-logarithmischen Maßstab aufgetragen. Die Verbindung der einzelnen Messpunkte ergibt die Wöhler-Linie (Bild 1), die als S-N-Linie bezeichnet wird.

Datei:dauerfestigkeit1.jpg

Bild 1: Schematische WÖHLER-Kurve (S-N-Kurve) für Kunststoffe im Vergleich zu metallischen Werkstoffen

Die S-N-Linie zeigt erwartungsgemäß eine Zunahme der Schwingspielzahl N mit abnehmender Spannungsamplitude. Bei metallischen Werkstoffen, insbesondere den Konstruktionsstählen, geht die WÖHLER-Linie oberhalb einer bestimmten Schwingspielzahl ND annähernd in eine Horizontale über. Dieser Grenzwert der Beanspruchung, bei dem auch nach unendlich vielen Schwingspielen kein Bruch auftritt, ist die Dauerschwingfestigkeit, häufig auch einfach als Dauerfestigkeit σD bezeichnet. Zu ihrer praktischen Bestimmung muss der WÖHLER-Versuch bis zum Erreichen einer Grenzschwingspielzahl NG durchgeführt werden. Aus der Erfahrung abgeleitete Werte für NG sind 2•106 für Stähle und 10 bis 50•106 für Leichtmetalle. Bei nicht-metallischen Werkstoffen sowie bei metallischen Werkstoffen unter korrosiver Beanspruchung fällt die WÖHLER-Linie (S-N-Linie) auch bei sehr hohen Schwingspielzahlen weiter ab. Bei Kunststoffen wird eine auf 7•107 Schwingspielzahlen bezogene Schwingfestigkeit ermittelt. Ermüdungsbrüche sind hier aber auch bei höheren Schwingspielzahlen zu erwarten.

Prüfgeräte für den Dauerschwingversuch

Für die Durchführung dynamischer Versuche bei mittleren Frequenzen können servohydraulische Universalprüfmaschinen (Bild 2) und bei hohen Frequenzen Pulsatoren (elektrodynamisches Prinzip) oder Umlaufbiegemaschinen verwendet werden, die immer über geschlossene Regelkreise für Kraft und Verformung verfügen müssen (siehe auch: Zugversuch Regelung). Bei Messung der Temperaturabhängigkeit muss zusätzlich eine Temperierkammer angeschlossen sein.

Bild 2: Servohydraulische Prüfmaschine MTS 319.25 der Fa. MTS Systems GmbH, Berlin zur Durchführung von Wöhler-Versuchen


Literaturhinweise

  • DIN 50100 (2016-12): Werkstoffprüfung – Dauerschwingversuch – Begriffe, Zeichen, Durchführung, Auswertung
  • DIN 53442 (1990-09): Prüfung von Kunststoffen – Dauerschwingversuch im Biegebereich an flachen Prüfkörpern
  • DIN EN ISO 3385 (2014-10): Weich-elastische polymere Schaumstoffe – Bestimmung der Ermüdung im Dauerschwingversuch mit Stoßbelastung unter konstanter Kraft
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