Dauerfestigkeit

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Dauerfestigkeit ist ein Begriff aus dem Gebiet der Festigkeit und bezeichnet die Belastungsgrenze, die ein dynamisch (z. B. schwingend) belasteter Werkstoff ohne nennenswerte Ermüdungserscheinungen bzw. Ausfallerscheinungen ertragen kann. Siehe auch Dauerschwingfestigkeit.

Haigh-Diagramm

Haigh-Diagramm
Datei:HaighDiagramm.png
Detailskizze der geraden Linien, welche jeweils ein konstantes Spannungsverhältnis R = const. beschreiben, mit je unterschiedlichen Werten von R, wie sie im Haigh-Diagramm vorkommen

Die Dauerfestigkeit ist abhängig von der Art der auftretenden Belastung. Je nachdem, ob die Art der Belastung nur aus Druck, Zug und Druck, nur Zug oder zusätzlich auch noch aus Biegung und Torsion besteht, ändert sich ihre jeweilige Höhe. Die Abhängigkeit der Dauerfestigkeit von der Belastungsart wird im Haigh-Diagramm dargestellt. Darin bezeichnet

$ R = \frac {\sigma_U}{\sigma_O} $

das Spannungsverhältnis aus Unter- und Oberspannung der Kurve des oszillierenden Spannungsverlaufs über der Zeitachse. Ferner bezeichnet $ \mathcal {}\sigma_m $ die Mittelspannung. $ \mathcal {}\sigma_{A^*} $ stellt die Wechselfestigkeit dar. $ \mathcal {}\sigma_R $ bezeichnet die Zugfestigkeit, $ \mathcal {}\sigma_S $ die Streckgrenze.

Werkstoffe mit kubisch flächenzentriertem Kristallgitter wie z. B. Kupfer zeigen diesen Grenzwert nicht. Hier ist auch bei geringen Belastungsamplituden "auf Dauer" mit Ermüdungserscheinungen zu rechnen.

Smith-Diagramm

Dauerfestigkeitsschaubild nach Smith

Ein weiteres Schaubild nach Smith (das sogenannte Smith-Diagramm) wird in der Werkstofftechnik zur Festigkeitsberechnung bei dynamisch beanspruchten Bauteilen verwendet.[1] Es zeigt die Abhängigkeit von Mittelspannung, Amplitude der Spannung und Dauerfestigkeit. Der Dauerfestigkeitsbereich ist durch ein Fünfeck gekennzeichnet. Wenn die Amplituden von Ober- oder Unterspannung für die vorliegende Mittelspannung außerhalb dieses markierten Fünfecks liegen, ist Dauerfestigkeit nicht gegeben.

Auswirkungen

Bei Spannungsausschlägen oberhalb der Dauerfestigkeit treten deutliche Ermüdungserscheinungen und Schädigungen auf, es wird nur eine bestimmte Anzahl von Lastwechseln bis zum Bruch (Bruchschwingzahl) ertragen. Diese Abhängigkeit wird im Wöhlerdiagramm dargestellt, eine Bemessungshilfe für ingenieurtechnische Auslegungen nach dem Prinzip der Betriebsfestigkeit. Zur Ermittlung der Wöhlerlinie siehe auch Wöhlerversuch.

Wird der Werkstoff so hoch belastet, dass er der Belastung nur eine bestimmte Zeit lang widersteht, so spricht man von Zeitfestigkeit. Diese wird in der Regel in einer bestimmten Anzahl von Schwingspielen angegeben, die dann in eine Zeitspanne umgerechnet werden.

Die Dauerfestigkeit wird unterschiedlich definiert. Werkstoffe, deren Proben im Versuch $ \mathcal {}2\cdot 10^6 $ bis $ 10^9 $ Schwingspiele ohne Bruch ertragen, gelten bei entsprechendem Lastniveau als dauerfest.

Um die Dauerfestigkeit für Großserienteile (Stückzahl größer 1 Mio.) trotz der relativ geringen Probenanzahl im Versuch genügend genau ermitteln zu können, sind zahlreiche Verfahren entwickelt worden, die statistisch hinreichend abgesicherte Kennwerte ermitteln. Alternativ zur Bestimmung der Werkstoffeigenschaft Dauerfestigkeit kann auch die Dauerfestigkeit einer ganzen Baugruppe mit Hilfe eines Prüfstandes ermittelt werden. Beim Bruch wird die Schwingspielzahl in N gemessen. Eine Dauerschwingversuchsreihe besteht aus etwa 10 Einzelversuchen mit Proben des gleichen Werkstoffs. Der Spannungsausschlag der Wechselbelastung wird ausgehend von der Streckgrenze Re von Versuch zu Versuch gesenkt. Mit 10 Proben kann man allerdings nur eine mittlere Wöhlerlinie mit der Bruchwahrscheinlichkeit von 500.000 ppm ermitteln. Will man die Dauerfestigkeit mit 1 ppm oder 10 ppm erhalten, muss man mindestens 50 Proben mit der Weibullverteilung auswerten. Vorher muss man aber alle Messwerte auf eine Grenzlastspielzahl projizieren.

Literatur

  •  J. Köhler: Nullbruchlinie der Dauerfestigkeit. In: Materialwissenschaft und Werkstofftechnik. 39, Nr. 9, 2008, S. 654–658, doi:10.1002/mawe.200800326.

Siehe auch

High Frequency Impact Treatment; Schweißnaht-Nachbehandlungsverfahren zur Lebensdauerverlängerung durch Ausrundung, Glättung und Randschichtverfestigung der Kerbe am Nahtübergang und Einbringung von Druckeigenspannungen.

Einzelnachweise

  1. Konstruktion des Smith-Diagramms

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