Dauerfestigkeit

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Dauerfestigkeit oder Dauerschwingfestigkeit

Ermittlung der Dauerfestigkeit

Das Ziel eines Dauerschwingversuches oder Ermüdungsversuchs besteht in der Ermittlung einer Dauerschwingfestigkeit oder kurz Dauerfestigkeit σ_D genannt. Dabei charakterisiert σ_D die größte Spannungsamplitude σ_a, die ein Prüfkörper unendlich oft und ohne unzulässige Verformung aushält. Bei allen Spannungsamplituden oberhalb von σ_D 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.: σ_zD... Dauerfestigkeit im Zugwechselbereich

Häufig benutzte Sonderfälle der Dauerschwingfestigkeit sind:

• Die Wechselfestigkeit σ_W = σ_a = σ_o = |σ_u| für σ_m = 0.
• Die Schwellfestigkeit σ_Sch = 2 σ_a für σ_m = σ_a.
• Die Zeitschwingfestigkeit σ_(N) charakterisiert die Spannungsamplituden oberhalb von σ_D, bei denen ein Ermüdungsbruch des Prüfkörpers eintritt.
• σ_z(6) bedeutet Zeitfestigkeit im Zugwechselbereich von 10⁶ Lastwechseln.

N ist dabei immer die Schwingspielzahl oder Lastwechselzahl und N_c 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 σ_a bei gleichbleibender Mittelspannung σ_m 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 N_C durchläuft. Die gewählten Spannungsamplituden σ_a 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.

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 N_D 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 σ_D bezeichnet. Zu ihrer praktischen Bestimmung muss der WÖHLER-Versuch bis zum Erreichen einer Grenzschwingspielzahl N_G durchgeführt werden. Aus der Erfahrung abgeleitete Werte für N_G 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 (2021-09): Schwingfestigkeitsversuch – Durchführung und Auswertung von zyklischen Versuchen mit konstanter Lastamplitude für metallische Werkstoffproben und Bauteile (Entwurf)
• 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