Dauerschwingversuch nach Wöhler (Ermüdung von Bauteilen bei wechselnder Beanspruchung)

Описание: Der Dauerschwingversuch nach Wöhler dient zur Untersuchung der Festigkeit von Werkstoffen unter dynamischer Belastung. Anders als bei statischer Beanspruchung können Bauteile auch bei Spannungen unterhalb der Streckgrenze durch Ermüdungsbruch versagen. Besonders betroffen sind Bauteile wie Zahnräder, Kettenglieder oder Federn.

Im Versuch werden genormte Proben oder Bauteile schwingender Beanspruchung ausgesetzt. Die Proben werden in einer Vorrichtung eingespannt, wobei die obere Einspannung sinusförmige Schwingungen erzeugt. Frequenzen können über 200 Hertz betragen. Um unzulässige Erwärmung zu vermeiden, wird eine Vorbeanspruchung angewendet, wodurch reine Wechselbeanspruchung, Zugschwellbeanspruchung oder Druckschwellbeanspruchung getestet werden kann.

Ein vollständiger Belastungszyklus wird als Schwingspiel oder Lastspiel bezeichnet. Die Anzahl an Zyklen bis zum Bruch ist die Bruchschwingspielzahl. Die maximale und minimale Spannung im Zyklus werden als Oberspannung und Unterspannung bezeichnet, der Mittelwert daraus ergibt die Mittelspannung. Der Unterschied zwischen Mittelspannung und Oberspannung wird als Spannungsamplitude Sigma-A definiert. Das Verhältnis von Unterspannung zur Oberspannung ist das Spannungsverhältnis R. Bei Wechselbeanspruchung ist R negativ, eine reine Wechselbeanspruchung liegt bei einem Spannungsverhältnis von minus eins vor.

Zur Auswertung des Dauerschwingversuchs werden mehrere identische Proben eines Werkstoffs geprüft. Dabei wird die Anzahl an Schwingungen bis zum Bruch ermittelt und die Ergebnisse in einem Wöhler-Diagramm dargestellt. Bei hohen Spannungsamplituden tritt Bruch bereits nach wenigen Lastzyklen auf. Bei geringerer Belastung kann die Probe deutlich mehr Zyklen überstehen, bis schließlich ein Bereich erreicht wird, in dem kein Bruch mehr auftritt. Dieser Bereich wird als Dauerfestigkeit bezeichnet. Besonders für ferritische Stähle liegt die Dauerfestigkeit meist zwischen einer und zehn Millionen Lastspielen.

Die Mittelspannung hat einen starken Einfluss auf die Schwingfestigkeit. Höhere Mittelspannungen erhöhen die Beanspruchung der Probe, sodass sie schneller bricht. Wird die Mittelspannung hingegen in den negativen Druckbereich verschoben, kann die Schwingfestigkeit erhöht werden, da Druckspannungen die Rissausbreitung hemmen. Der Ermüdungsbruch beginnt meist an Mikrorissen oder Materialfehlern in der Probenoberfläche. Diese kleinen Defekte führen zu lokalen Spannungsspitzen, die den Riss fortschreiten lassen. Durch zyklische Belastung breitet sich der Riss immer weiter aus, bis die Restquerschnittsfläche nicht mehr genügend Last tragen kann und der endgültige Bruch eintritt.

Typische Merkmale eines Ermüdungsbruchs sind Schwingstreifen oder Rastlinien, die durch zyklische Belastung entstehen. Besonders bei Belastungsänderungen werden Rastlinien sichtbar, da diese mit Unterschieden in der Oxidation der Rissfront verbunden sind. Die Bruchfläche eines Ermüdungsbruchs weist zwei charakteristische Bereiche auf: eine relativ glatte Schwingbruchfläche, die durch die zyklische Belastung verursacht wird, und eine rauere Gewaltbruchfläche, die beim endgültigen Versagen entsteht.

Die Schwingfestigkeit von Bauteilen kann durch verschiedene Maßnahmen beeinflusst werden. Rauere Oberflächen, scharfe Kanten oder Korrosion begünstigen Rissbildung und reduzieren die Dauerfestigkeit. Eine glatte, polierte Oberfläche kann hingegen die Schwingfestigkeit erhöhen. Zudem können durch Verfahren wie Kugelstrahlen oder Randschichthärten Druckeigenspannungen eingebracht werden, die die Rissausbreitung hemmen und damit die Schwingfestigkeit verbessern.

Auch die Größe der Probe spielt eine Rolle. Größere Proben weisen aufgrund statistischer Wahrscheinlichkeiten mehr Materialfehler auf, was die Schwingfestigkeit verringern kann. Besonders bei Biege- und Torsionsbelastungen, bei denen die größten Spannungen an der Oberfläche auftreten, ist dieser Effekt ausgeprägt. Bei reinen Zug- und Druckbelastungen ist der Einfluss der Probengröße hingegen geringer.

Nicht alle Bauteile werden auf Dauerfestigkeit ausgelegt. In vielen Fällen reicht eine bestimmte Zeitfestigkeit aus, bei der das Bauteil für eine vordefinierte Anzahl an Lastspielen ohne Schaden überstehen muss. So werden beispielsweise Schlagbohrmaschinen nicht für unendliche Lebensdauer konzipiert, sondern für eine begrenzte Anzahl von Betriebsstunden.

00:00 Dauerschwingversuch nach Wöhler
01:22 Durchführung
02:49 Grundbegriffe
04:19 Wöhler-Diagramm
07:14 Festigkeitsbereiche
08:52 Einfluss der Mittelspannung
10:34 Dauerfestigkeit und Zeitfestigkeit
12:39 Bruchmechanismus
14:32 Schwingstreifen und Rastlinien
15:50 Bruchflächen
16:44 Beeinflussung der Schwingfestigkeit
17:26 Druckeigenspannungen
18:49 Probengröße