Wöhler-Versuch und Dauerschwingfestigkeit
Der Wöhler-Versuch (Dauerschwingversuch) ist das klassische Verfahren zur Ermittlung der Schwingfestigkeit von Werkstoffen und Bauteilen. Er wurde im 19. Jahrhundert von August Wöhler systematisch entwickelt und liefert die nach ihm benannte Wöhlerlinie (S-N-Kurve, Spannungs-Schwingspiel-Kurve). Die Wöhlerlinie ist eine der wichtigsten Grundlagen für die Auslegung schwingend beanspruchter Bauteile in Maschinenbau, Fahrzeugtechnik und Luft- und Raumfahrt.
Versuchsprinzip und Prüfaufbau
Im Wöhler-Versuch wird eine Gruppe gleichartiger Proben oder Bauteile unter zyklischer Belastung geprüft. Jede Probe wird mit einer konstanten Spannungsamplitude σ_a (oder Lastamplitude) belastet, bis ein definiertes Versagenskriterium eintritt – typischerweise ein Anriss oder der vollständige Bruch. Die Anzahl der bis zum Versagen ertragenen Lastwechsel N wird aufgezeichnet. Das Verfahren ist in DIN 50100 normiert. Typische Prüfmaschinen sind Resonanzprüfmaschinen (bis ca. 150 Hz) oder servohydraulische Prüfmaschinen (beliebige Frequenz).
Die Wöhlerlinie und ihre Bereiche
Die graphische Darstellung der Messwerte (σ_a über N, meist doppellogarithmisch) ergibt die Wöhlerlinie, die in drei charakteristische Bereiche eingeteilt wird:
- Kurzzeitfestigkeit (LCF – Low Cycle Fatigue): Bereich kleiner Schwingspielzahlen (N < 10⁴). Hohe Spannungsamplituden führen zu makroplastischen Verformungen; das Bauteil versagt rasch. Maßgeblich sind zyklische Plastizität und Rissinitiierung.
- Zeitfestigkeit (HCF – High Cycle Fatigue): Mittlerer Bereich (10⁴ < N < 10⁷). Mit abnehmender Amplitude steigt die ertragbare Schwingspielzahl. Die Wöhlerlinie verläuft in diesem Bereich annähernd linear im doppellogarithmischen Maßstab (Potenzgesetz nach Basquin).
- Dauerfestigkeit (N > 10⁶ bis 10⁷): Unterhalb einer kritischen Spannungsamplitude – der Dauerfestigkeit σ_D – tritt für viele Stähle kein Versagen mehr auf (horizontaler Ast der Wöhlerlinie). Für Aluminium- und Titanlegierungen existiert keine echte Dauerfestigkeit; die Wöhlerlinie fällt weiter ab (VHCF-Bereich).
Einflussfaktoren auf die Schwingfestigkeit
Die Schwingfestigkeit wird durch zahlreiche Faktoren beeinflusst: Mittelspannung (Haigh-Diagramm), Kerbwirkung (Kerbzahl β_k), Oberflächengüte, Baugröße, Werkstoffzustand (Gefüge, Eigenspannungen), Umgebungsmedium (Korrosionsschwingbruch) und Temperatur. Zur systematischen Erfassung dieser Einflüsse werden Wöhlerversuche mit variierten Probengeometrien, Oberflächenbehandlungen oder Umgebungsbedingungen durchgeführt.
Statistische Auswertung
Da Schwingfestigkeitsergebnisse erheblich streuen, werden Wöhlerlinien statistisch abgesichert. Für technische Anwendungen werden Quantile angegeben (z. B. 10 %-Quantile der Bruchlastspielzahl). Die Auswertung erfolgt nach dem Treppenstufenverfahren (nach Dixon und Mood) oder nach der Probitanalyse.