Springe zum Seiteninhalt

W├Âhlerkurve / W├Âhlerlinie

Die W├Âhlerkurve gibt die Summe der ertragbaren Lastwechsel bis zum Bruch eines Materials an. Sie wird im Dauerschwingversuch bei konstanter Lastamplitude (auch W├Âhlerversuch) nach DIN 50100 ermittelt und wird in die Bereiche Kurzzeitfestigkeit K, Zeitfestigkeit Z und Dauerfestigkeit D unterteilt.

Die Abgrenzung der Bereiche erfolgt mittels der Schwingspielzahl N

  • Kurzzeitfestigkeit 100-30.000 Schwingspiele
  • Zeitfestigkeit ca. 2.000.000 Schwingspiele
  • Dauerfestigkeit bis unendlich

Aus dem W├Âhlerdiagramm kann f├╝r eine bestimmte Lastamplitude die maximale Anzahl der Lastwechsel abgelesen werden. Diese ist abh├Ąngig von den Werkstoffeigenschaften, der Kraft und der Belastungsart (schwellende Druckbelastung, schwellende Zugbelastung oder wechselnde Belastung).

Die W├Âhlerkurve einer glatten Werkstoffprobe (Spannungsverh├Ąltnis R = -1)

In unserem Beispiel wird die Nennspannungsamplitude Sa logarithmisch aufgetragen, ebenso die Schwingzahl N. Bei doppel-logarithmischer Darstellung stellt der Bereich der Zeitfestigkeit eine Gerade dar. Die sich ergebende Kurve wird als W├Âhlerkurve oder W├Âhlerlinie bezeichnet.

Beschreibung der W├Âhlerkurve:

  • Rm statische Festigkeit (hier Zugfestigkeit)
  • Sa Nennspannungsamplitude
  • SaD Dauerfestigkeit
  • N ertragbare Schwingspielzahl
  • ND Ecklastschwingspielzahl
  • NG Grenzschwingspielzahl
  • K Kurzzeitfestigkeit / Kurzzeitschwingfestigkeit
  • Z Zeitfestigkeit / Zeitschwingfestigkeit
  • D Dauerfestigkeit / Dauerschwingfestigkeit

Kurzzeitfestigkeit

Die Kurzzeitfestigkeit K bzw. Kurzzeitschwingfestigkeit ist der Bereich unterhalb von ca. 104 bis 105 Schwingspielen.

Die Kurzzeitfestigkeit wird im Low Cycle Fatigue Versuch (LCF) ermittelt. In diesem Bereich werden Werkstoffe und Bauteile so stark beansprucht, dass im Zyklus plastische Verformungen auftreten und das Material fr├╝hzeitig versagt. F├╝r eine detailliertere Darstellung wird h├Ąufig das Coffin-Manson-Modell angewendet.

Bei einer Belastung, die innerhalb von einem Viertel der Schwingspiele zum Bruch f├╝hrt, spricht man von der statischen Festigkeit, die auch im Zugversuch bestimmt wird.

Zeitfestigkeit

Die Zeitfestigkeit Z bzw. Zeitschwingfestigkeit ist der Bereich zwischen 104 und 2┬Ě106 Schwingspielen (materialabh├Ąngig). Die Probe erreicht im Bereich der Zeitfestigkeit immer ein Ausfallkriterium (z.B. Anriss oder Bruch).

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

Zeitfestigkeitsgerade

Bei doppel-logarithmischer Darstellung verl├Ąuft die W├Âhlerkurve nahezu gerade. Diese Gerade (mit der Neigung -k) wird Zeitfestigkeitsgerade genannt.

Dauerfestigkeit

Dauerfestigkeit D (auch Dauerschwingfestigkeit) (engl. very high cycle fatigue, VHCF) bezeichnet die Belastungsgrenze, die ein Werkstoff bei zyklischer Belastung ohne nennenswerte Erm├╝dungserscheinungen oder Ausfallerscheinungen ertragen kann. Die Dauerfestigkeit wird im Dauerschwingversuch ermittelt. 

Im Bereich der Dauerfestigkeit wird eine Grenz-Schwingspielzahl NG festgelegt. Versagt die Probe vor Erreichen dieser Grenz-Schwingspielzahl, wird sie als "Ausfall" gewertet. Werkstoffe, die im Dauerschwingversuch bei einer definierten Kraft mehr als 1.000.000 Schwingspiele ohne Bruch ertragen, gelten als dauerfest. 

Die Auslegung auf Dauerfestigkeit ergibt deutlich niedrigere zul├Ąssige Spannungen als beim statischen Konzept.

 

Der Verlauf der W├Âhlerlinie im Dauerfestigkeitsbereich wird in 3 Typen unterschieden:

  • Horizontaler Verlauf der W├Âhlerlinie: Die ausgepr├Ągte Dauerfestigkeit bzw. Langzeitfestigkeit tritt h├Ąufig bei ferritischen St├Ąhle auf
  • Weiterer Abfall der W├Âhlerlinie mit einer geringeren Neigung: tritt h├Ąufig bei austenitischer Stahl oder Aluminium auf
  • Nach zun├Ąchst horizontalem Verlauf erfolgt ein Abfall der W├Âhlerlinie bei etwa108 Schwingspielen: inneren Fehlstellen verursachen Risse unterhalb der Oberfl├Ąche

Relevante Normen zur Ermittlung der W├Âhlerkurve

  • DIN 50100  -  "Schwingfestigkeitsversuch - Durchf├╝hrung und Auswertung von zyklischen Versuchen mit konstanter Lastamplitude f├╝r metallische Werkstoffproben und Bauteile"
  • ASTM E466-15  - "Standard Practice for Conducting Force Controlled Constant Amplitude Axial Fatigue Tests of Metallic Materials"
  • ISO 1099 - "Metallische Werkstoffe - Dauerschwingversuch - Axialer kraftgeregelter Versuch"
  • DIN EN 6072 - "Luft- und Raumfahrt - Metallische Werkstoffe - Pr├╝fverfahren - Erm├╝dungstest mit konstanter Amplitude"

Pr├╝fmaschinen zur Ermittlung der W├Âhlerkurve

Top