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

Bestimmung der Kurzzeitfestigkeit / Kurzzeiterm├╝dung

Low Cycle Fatigue hei├čt Erm├╝dung bei niedriger Lastspielzahl.

Der Low Cycle Fatigue Versuch (LCF) nach ISO 12106 und ASTM E606 ist ein Erm├╝dungsversuch, bei dem eine zyklische Beanspruchung bis zum Versagen simuliert wird. Der Versuch wird typischerweise an einer servohydraulischen Pr├╝fmaschine durchgef├╝hrt.

Werkstoffe, die extremen thermischen und mechanischen Beanspruchungen unterliegen, k├Ânnen nur im Bereich der Kurzzeitfestigkeit ausgelegt werden, d.h. bis maximal 105 Lastwechsel. Beispielhaft stehen hierf├╝r vor allem Turbinenschaufeln und Scheiben von Flugzeugtriebwerken und station├Ąre Turbinen zur Energieerzeugung. Inzwischen kommt der LCF-Versuch auch bei Abgasturbolader, Abgaskr├╝mmer und anderen Komponenten zum Einsatz. Bei diesen Bauteilen kommt es an konstruktiven Kerben, z.B. der Schaufel-Scheiben-Verbindung, zu dehnungsinduzierter plastischer Wechselverformung, die fr├╝her oder sp├Ąter zum Anriss f├╝hrt. Im Low Cycle Fatigue Versuch werden diese Beanspruchungen an einer Probe simuliert und die Schwingspielzahl bis zum Anriss ermittelt. Der Versuch wird meist unter erh├Âhter Temperatur durchgef├╝hrt. Die Testfrequenz liegt typischerweise zwischen 0,01 und 5 Hz.

Besonders die Pr├╝fmaschine und der Regler der Maschine sind dabei gefordert. Beim ├ťbergang von der elastischen zur plastischen Verformung ├Ąndert 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 Pr├╝fmaschine spielt hier eine entscheidende Rolle.

Relevante Normen

  • ISO 12106   Metallic Materials ÔÇô Fatigue testing ÔÇô 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 ĂÉa,e und einem plastischen Dehnungsanteil ĂÉa,p zusammen: ĂÉa,t = ĂÉa,e + ĂÉa,p

W├Ąhrend 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 Versuche nach ISO 12106 / ASTM E606 werden mit konstanter Amplitude gefahren. Zus├Ątzlich k├Ânnen Haltezeiten eingef├╝gt werden, um Kriech-/ Relaxationsvorg├Ąnge ebenfalls zu untersuchen. Als Sollwert wird ein Dreieck verwendet oder ein Trapez f├╝r Haltezeiten.

Sollen spezifische Betriebslasten simuliert werden, sind auch andere Dehnungs-Zeitverl├Ąufe m├Âglich. So werden auch Low Cycle Fatigue Versuche mit einer ├╝berlagerten h├Âherfrequenten Schwingung gefahren.

Die Versuchsfrequenz ist ├╝blicherweise kleiner / gleich 1 Hz, wobei diese Grenze sich immer weiter nach oben verschiebt, sodass man durchaus LCF-Versuche bis 10 Hz f├Ąhrt.

Die LCF-Versuche werden in Dehnungsregelung gefahren. Nur in Sonderf├Ąllen wird im Bereich der stabilisierten Hysterese in Kraftregelung gewechselt oder bei Haltezeiten, um Kriecheffekte zu untersuchen. F├╝r die Werkstoffcharakterisierung werden die Versuche ├╝blicherweise bei einem RĂÉ-Verh├Ąltnis von -1 gefahren.

Low Cycle Fatigue Versuchsablauf

Nachdem die Probe sorgf├Ąltig eingebaut wurde, wird sie auf die Pr├╝ftemperatur erw├Ąrmt. Die Maschine befindet sich dabei in Kraftregelung, Sollwert ist 0 kN. Nach Erreichen der gew├╝nschten Temperatur wird der Dehnungsaufnehmer angesetzt. War der Aufnehmer schon w├Ąhrend der Aufheizphase an der Probe, muss das sich ge├Ąnderte L0 ber├╝cksichtigt werden. Anschlie├čend wird in Dehnungsregelung umgeschaltet und der Versuch gestartet.

Die ersten Zyklen sind von besonderer Bedeutung, da die Werkstoffe hier ein stark unterschiedliches Verhalten zeigen k├Ânnen.

Nach einigen Lastwechsel stellt sich aber meistens eine stabilisierte Hysterese ein. Manche Werkstoffe wiederum zeigen weder eine Ver- oder Entfestigung.

Cyclic Hardening

Es gibt Werkstoffe, die verfestigen w├Ąhrend der ersten Zyklen, d.h. dass die Kraft, um die Solldehnung zu erreichen, von Zyklus zu Zyklus ansteigt.

Cyclic Softening

Andere Werkstoffe zeigen genau gegenteiliges Verhalten, sie entfestigen, die erforderliche Kraft nimmt ab.

Versuchsende

Das Versuchsende der Kurzzeiterm├╝dung 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 gew├Ąhlt und zus├Ątzlich als Speicherkriterium eine prozentuale ├änderung der Kraft definiert. Zum Versuchsende hin sollte dann wieder jeder Zyklus erfasst werden.

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Unsere Pr├╝fsoftware f├╝r Low Cycle Fatigue Versuche

Die Pr├╝fsoftware testXpert R wird zur dehnungsgeregelten Ermittlung der Kurzzeitfestigkeit an Metallen gem├Ą├č ASTM E 606 eingesetzt. Als Sollwert wird in der Regel ein Dreieck mit konstanter Amplitude gew├Ąhlt. Sinus-Signale sind ebenfalls m├Âglich.

F├╝r die Dehnungsregelung wird ein geeigneter Dehnungsaufnehmer eingesetzt. In der Regel wird unter erh├Âhter Temperatur gepr├╝ft.

Auf Grund des unterschiedlichen Werkstoffverhaltens, Entfestigung oder Verfestigung, ist es wichtig, dass zu Beginn alle Hysterese-Schleifen aufgezeichnet werden. Die Anzahl kann vom Anwender frei definiert werden.

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