Schwingfestigkeit

Die Schwingfestigkeit ist ein Begriff aus der Ermüdungsprüfung und bezeichnet das Verformungs- und Versagensverhalten von Werkstoffen bei zyklischer Belastung.

Ein Schwingfestigkeitsversuch mit konstanten Amplituden wird als Wöhlerversuch bezeichnet. Dabei wird die ertragbare Spannungsamplitude über der dazugehörenden Schwingspielzahl ermittelt.

Schwingfestigkeit

Die Kennwerte eines Schwingspiels

  •  σa Spannungsamplitude
  • Δσ Schwingbreite
  • σo Oberspannung
  • σu Unterspannung
  • σm Mittelspannung
  • R Spannungsverhältnis
Kennwerte eines Schwingspiels

Beanspruchungsarten zur Ermittlung der Schwingfestigkeit

Bei Schwingfestigkeitsversuchen wird das Material oder Bauteil Lastwechseln unterzogen. Dadurch sinkt die zulässige Spannung in einem Werkstoff: Ein Bruch kann eintreten ohne dass die Zugfestigkeit erreicht wurde, teilweise sogar ohne dass der linear-elastische Bereich überschritten wurde. 

Die Lastwechsel werden in der Regel als Schwingungen aufgefasst, welche unter verschiedenen Lastverhältnissen durchgeführt werden können. 

 

Berechnung Lastverhältnis: R=σu / σo

Beanspruchungsarten von links:

  • wechselndSpannungsverhältnis R = -1
  • schwellend (Zug)Spannungsverhältnis R = 0
  • schwellend (Druck)Spannungsverhältnis R = OO
Wechselnde Beanspruchung beim Schwingfestigkeitsversuch
Beanspruchungsart Zug-schwell beim Schwingfestigkeitsversuch
Beanspruchungsart Druck-schwell beim Schwingfestigkeitsversuch

Wöhlerkurve

Die Wöhlerkurve wird im Dauerschwingversuch (auch Wöhlerversuch) nach DIN 50100 ermittelt und wird in die Bereiche Kurzzeitfestigkeit K, Zeitfestigkeit Z und Dauerfestigkeit D unterteilt.

Aus dem Wöhlerdiagramm kann für eine bestimmte Lastamplitude die maximale Anzahl der Lastwechsel abgelesen werden. Diese ist abhängig von den Werkstoffeigenschaften, der Kraft und der Belastungsart (schwellende Druckbelastung, schwellende Zugbelastung oder wechselnde Belastung).

Wöhlerkurve mit Unterteilung in Kurzzeitfestigkeit, Zeitfestigkeit und Dauerfestigkeit

Kurzzeitfestigkeit

Die Kurzzeitfestigkeit K ist der Bereich unterhalb von ca. 104 bis 105 Schwingspielen. Die Kurzzeitfestigkeit wird im Low Cycle Fatigue Versuch (LCF) ermittelt. 

Zeitfestigkeit

Die Zeitfestigkeit Z ist der Bereich zwischen 104 und 2·106 Schwingspielen (materialabhängig).  ist der Bereich zwischen 104 und 2·106 Schwingspielen (materialabhängig). 

Die Zeitfestigkeit wird im Dauerschwingversuch oder High Cycle Fatigue Versuch (HCF) ermittelt. Nach dem Versuch liegt als Ergebnis die Schwingspielzahl bei einer Lastamplitude vor.

Dauerfestigkeit

Dauerfestigkeit D (engl. very high cycle fatigue, VHCF) bezeichnet die Belastungsgrenze, die ein Werkstoff bei zyklischer Belastung ohne nennenswerte Ermüdungserscheinungen oder Ausfallerscheinungen ertragen kann.

Werkstoffe, die im Dauerschwingversuch bei einer definierten Kraft mehr als 1.000.000 Schwingspiele ohne Bruch ertragen, gelten als dauerfest. 

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