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
| Maschinentyp | Beanspruchung | Frequenz |
|---|---|---|
| Umlaufbiegeprüfmaschine (Amsler, Schenck) | Biegung, R = −1 | 20–60 Hz |
| Servohydraulische Prüfmaschine | Zug/Druck, beliebiges R | 1–50 Hz |
| Ultraschall-Ermüdungsprüfmaschine | Zug/Druck | 20.000 Hz (Very High Cycle) |
| Resonanzprüfmaschine | Zug/Druck | 50–300 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)
- 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
- 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