DSV

Dauerschwingversuch

Zerstörend
Der Dauerschwingversuch (Ermüdungsprüfung) bestimmt das Verhalten von Werkstoffen und Bauteilen unter zyklisch wechselnder Belastung. Ergebnis ist die Wöhlerkurve mit Dauerfestigkeits- oder Zeitfestigkeitswerten.
Geltende Normen

DIN 50100, ISO 1099, ASTM E 466, ASTM E 606

Warum Ermüdung prüfen?

Etwa 80–90 % aller Bauteilbrüche in der Praxis sind auf Ermüdung zurückzuführen — nicht auf statische Überlastung. Ein Bauteil, das statisch eine Last von 1.000 N problemlos trägt, kann bei 100.000-facher Wiederholung einer Kraft von 400 N versagen. Ermüdung entsteht durch die langsame Ausbreitung von Mikrorissen unter Wechselbeanspruchung.

Wöhlerkurve (S-N-Kurve)

Die Wöhlerkurve (nach August Wöhler, 1870) stellt die Bruchlastspielzahl N (Anzahl Zyklen) in Abhängigkeit von der Spannungsamplitude σₐ dar:

  • Zeitfestigkeitsbereich: Hohe Spannungen → Bruch nach relativ wenigen Zyklen (10³–10⁶)
  • Dauerfestigkeitsbereich (Stahl): Unterhalb der Dauerfestigkeit σ_D → kein Bruch bis N → ∞
  • Achtung bei Aluminium und Titan: Keine echte Dauerfestigkeit — Bruch auch bei niedrigen Amplituden nach sehr vielen Zyklen möglich (Gigacycle-Fatigue)

Prüfmaschinen und -verfahren

MaschinentypBeanspruchungFrequenz
Umlaufbiegeprüfmaschine (Amsler, Schenck)Biegung, R = −120–60 Hz
Servohydraulische PrüfmaschineZug/Druck, beliebiges R1–50 Hz
Ultraschall-ErmüdungsprüfmaschineZug/Druck20.000 Hz (Very High Cycle)
ResonanzprüfmaschineZug/Druck50–300 Hz

Einflussfaktoren auf die Ermüdungsfestigkeit

  • Oberfläche: Rauheit (Kerben!), Eigenspannungen (Kugelstrahlen erhöht Ermüdungsfestigkeit)
  • Kerbwirkung: Querschnittsübergänge, Bohrungen, Gewinde — deutliche Absenkung
  • Mittelspannung: Zugmittelspannung senkt, Druckmittelspannung erhöht die Ermüdungsfestigkeit
  • Korrosion: Korrosionsermüdung — Kombination aus Ermüdung und Korrosion ist besonders gefährlich
  • Temperatur: Kriechen bei hohen Temperaturen überlagert Ermüdung

Schädigungshypothesen

Die lineare Schadensakkumulationshypothese (Miner-Regel) berechnet die Schädigung bei variablen Amplituden: D = Σ(nᵢ / Nᵢ). Bruch tritt auf wenn D ≥ 1 (in der Praxis konservativ mit D < 0,3 bis 0,5 ausgelegt).

Normen

  • DIN 50100: Schwingfestigkeitsversuch — Durchführung und Auswertung
  • ISO 1099: Metallische Werkstoffe — Wechselbiegeprüfung
  • ASTM E 466: Axiale Ermüdungsprüfung (USA)
  • ASTM E 606: Dehnungsgeregelter Ermüdungsversuch (Low Cycle Fatigue)

Anwendungsgebiete

Auslegung von Maschinenteilen (Wellen, Federn, Zahnräder), Validierung von Schweißkonstruktionen, Luftfahrtzulassung (Damage Tolerance), Automobilindustrie (Fahrwerkskomponenten), Windenergieanlagen (Rotorblatt-Zertifizierung)

✓ Vorteile
  • Einziges Verfahren das zyklisches Versagen direkt bestimmt
  • Wöhlerkurve liefert quantitative Auslegungsgrundlage
  • Verschiedene Frequenzen für kurze oder sehr lange Laufzeiten
  • Dehnungsgeregelte Versuche für Niederlastspielzahlbereich möglich
  • Proben- oder bauteilnah prüfbar
✗ Nachteile
  • Zerstörend und zeitaufwändig (Wochen bis Monate für vollständige Wöhlerkurve)
  • Großer Probenverbrauch (statistisch: min. 10–15 Proben je Spannungsniveau)
  • Streuung der Ergebnisse ist inhärent — statistische Auswertung erforderlich
  • Übertragbarkeit von Proben- auf Bauteilebene eingeschränkt
  • Sehr teuer bei realitätsnaher Bauteilprüfung