Low Cycle Fatigue Versuche (LCF) nach ISO 12106 / ASTM E606

Bestimmung der Kurzzeitfestigkeit / Kurzzeitermüdung

Low Cycle Fatigue heißt Ermüdung bei niedriger Lastspielzahl.

Der Low Cycle Fatigue Versuch (LCF) nach ISO 12106 und ASTM E606 ist ein Ermüdungsversuch, bei dem eine zyklische Beanspruchung bis zum Versagen simuliert wird. Der Versuch wird typischerweise an einer servohydraulischen Prüfmaschine durchgeführt.

Werkstoffe, die extremen thermischen und mechanischen Beanspruchungen unterliegen, können nur im Bereich der Kurzzeitfestigkeit ausgelegt werden, d.h. bis maximal 105 Lastwechsel. Beispielhaft stehen hierfür vor allem Turbinenschaufeln und Scheiben von Flugzeugtriebwerken und stationäre Turbinen zur Energieerzeugung. Inzwischen kommt der LCF-Versuch auch bei Abgasturbolader, Abgaskrümmer und anderen Komponenten zum Einsatz. Bei diesen Bauteilen kommt es an konstruktiven Kerben, z.B. der Schaufel-Scheiben-Verbindung, zu dehnungsinduzierter plastischer Wechselverformung, die früher oder später zum Anriss führt. Im Low Cycle Fatigue Versuch werden diese Beanspruchungen an einer Probe simuliert und die Schwingspielzahl bis zum Anriss ermittelt. Der Versuch wird meist unter erhöhter Temperatur durchgeführt. Die Testfrequenz liegt typischerweise zwischen 0,01 und 5 Hz.

Besonders die Prüfmaschine und der Regler der Maschine sind dabei gefordert. Beim Übergang von der elastischen zur plastischen Verformung ändert sich die Steifigkeit der Probe dramatisch und der Regler muss sehr schnell reagieren um beispielsweise eine konstante Dehnungszunahmegeschwindigkeit zu garantieren. Eine besonders hohe Steifigkeit der Prüfmaschine spielt hier eine entscheidende Rolle.

 

 

 

Relevante Normen

  • ISO 12106   Metallic Materials – Fatigue testing – Axial Strain Control Method
  • ASTM E606   Standard Test Method for Strain-Controlled Fatigue Testing 
  • BS 7270   Method for constant amplitude strain controlled fatigue testing

Beanspruchung im Low Cycle Fatigue Versuch

Die Beanspruchung im Low Cycle Fatigue Versuch setzt sich aus einem elastischen Ɛa,e und einem plastischen Dehnungsanteil Ɛa,p zusammen: Ɛa,t = Ɛa,e + Ɛa,p

Während im elastischen Bereich ein linearer Zusammenhang zwischen Spannung und Dehnung besteht (Hookesches Gesetz), ist er im plastischen Bereich nicht linear. Als Folge daraus ergibt sich eine Hystereseschleife.
Low Cycle Fatigue Versuch: Spannungs-Dehnungs-Hysterese

Low Cycle Fatigue Versuche nach ISO 12106 / ASTM E606 werden mit konstanter Amplitude gefahren. Zusätzlich können Haltezeiten eingefügt werden, um Kriech-/ Relaxationsvorgänge ebenfalls zu untersuchen. Als Sollwert wird ein Dreieck verwendet oder ein Trapez für Haltezeiten.

Sollen spezifische Betriebslasten simuliert werden, sind auch andere Dehnungs-Zeitverläufe möglich. So werden auch Low Cycle Fatigue Versuche mit einer überlagerten höherfrequenten Schwingung gefahren.

Die Versuchsfrequenz ist üblicherweise kleiner / gleich 1 Hz, wobei diese Grenze sich immer weiter nach oben verschiebt, sodass man durchaus LCF-Versuche bis 10 Hz fährt.

Die LCF-Versuche werden in Dehnungsregelung gefahren. Nur in Sonderfällen wird im Bereich der stabilisierten Hysterese in Kraftregelung gewechselt oder bei Haltezeiten, um Kriecheffekte zu untersuchen. Für die Werkstoffcharakterisierung werden die Versuche üblicherweise bei einem RƐ-Verhältnis von -1 gefahren.

Versuchsende

Das Versuchsende der Kurzzeitermüdung wird in der Regel definiert als ein prozentualer Kraftabfall von der Regressionsgerade der stabilisierten Hysterese.

Aufgrund dieses Werkstoffverhaltens ist es wichtig, dass am Anfang jede Hystereseschleife aufgezeichnet wird. Im stabilisieren Bereich reicht es, wenn beispielsweise jede hundertste oder tausendste gespeichert wird. Oftmals wird hier auch ein logarithmischer Abstand gewählt und zusätzlich als Speicherkriterium eine prozentuale Änderung der Kraft definiert. Zum Versuchsende hin sollte dann wieder jeder Zyklus erfasst werden.

Low Cycle Fatigue Versuch: Nach einigen Lastwechseln stellt sich meist eine stabilisierte Hysterese ein.
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