Diagramme zur Dauerschwingfestigkeit
Im Zusammenhang mit der Dauerfestigkeit gibt es verschiedene Schaubilder, die wiederum unterschiedliche Sachverhalte darstellen. Das S-N Diagramm zeigt die Ergebnisse des Dauerschwingversuchs nach August Wöhler.
Das S-N-Diagramm geht von einer bestimmten Mittelspannung aus. Bei dynamisch belastetsten Materialien ändert sich die Mittelspannung aber im Verlauf der Zeit. Dieser Zusammenhang wird im Smith- und im Haigh-Diagramm dargestellt.
Dauerschwingversuch (Wöhlerlinie)
Mit dem Dauerschwingversuch ermittelt man die Dauerfestigkeit. Der Versuchsaufbau sieht vor, verschiedene Proben auf verschiedenen Lasthorizonten zu prüfen. Jeder Versuch wird so lange wiederholt, bis das Material per zuvor festgelegter Definition versagt (wenn sich zum Beispiel Risse bilden oder bei Bruch).
Die Wöhlerlinie im S-N-Diagramm zeigt die Ergebnisse des Dauerschwingversuchs in Form von der Nennspannungsamplitude Sa. Die Mittelspannung ist der Mittelwert aus der im Versuch maximal zugeführten Spannung, der Oberspannung So, und der minimal zugeführten Spannung, der Unterspannung Su. Es ergibt sich folgende Formel:
Wöhlerlinie
Smith-Diagramm
Das Smith-Diagramm zeigt die Abhängigkeiten zwischen Mittelspannung, Amplitude, Spannung und Dauerfestigkeit. Um die komplexen Berechnungen vereinfacht darzustellen, werden Goodman-Linien herangezogen. Das Smith-Diagramm stellt dann die jeweils für die Dauerfestigkeit zulässige Oberspannung So und die Unterspannung Su in Abhängigkeit von der Mittelspannung Sm dar.
Smith-Diagramm
Haigh-Diagramm
Das Haigh-Diagramm zeigt die dauerfeste Spannungsamplitude über der Mittelspannung. Zudem helfen Ursprungsgeraden dabei, aus den Wertepaaren aus Spannungsamplitude und Mittelspannung die Spannungsverhältnisse abzulesen. Zur Vereinfachung wird die Goodman-Gerade genutzt. Unterhalb dieser liegt der Dauerfestigkeitsbereich. Aus der Steigung der Goodman-Geraden lässt sich die Mittelspannungsempfindlichkeit ermitteln.
Haigh-Diagramm
Einflussfaktoren auf die Dauerfestigkeit
Die individuelle Dauerfestigkeit ist zum einen von der Beschaffenheit des Materials abhängig und zum anderen von äußeren Einflüssen wie der Art der Belastung, Korrosion und Temperatur. Diese Aspekte stehen miteinander in Wechselwirkung. Einer der wichtigsten Einflussfaktoren ist dabei die Eigenspannung.
Eigenspannung
Eigenspannungen entstehen in einem Werkstoff aufgrund unterschiedlicher Faktoren und treten in nahezu allen Phasen der Materialverarbeitung und Nutzung auf. Je nach Art der Spannung ergeben sich verschiedene Auswirkungen auf die Dauerfestigkeit. Druckeigenspannungen haben einen positiven Einfluss, während Zugeigenspannungen die Dauerfestigkeit herabsetzen.
Ausschlaggebend ist der jeweilige Einfluss auf die Mittelspannung, die wiederum entscheidend für die Dauerfestigkeit ist. Schweißnähte stehen beispielsweise unter hohen Zugspannungen. Fertigungsverfahren wie Schlussrollen können Druckeigenspannungen einbringen, um die Dauerfestigkeit zu erhöhen.
Eigenschaften des Bauteils
Neben der Eigenspannung beeinflussen eine Reihe weiterer Bauteileigenschaften die Dauerfestigkeit.
| Zugfestigkeit | Die Dauerfestigkeit verhält sich proportional zur Zugfestigkeit des Werkstoffs. Das heißt, wenn die Zugfestigkeit steigt, steigt auch die Dauerfestigkeit. |
| Duktilität | Eine hohe Duktilität wirkt sich positiv auf die Mittelspannungsempfindlichkeit und somit auf die Dauerfestigkeit aus. |
| Rauheit | Eine hohe Duktilität wirkt sich positiv auf die Mittelspannungsempfindlichkeit und somit auf die Dauerfestigkeit aus. |
| Bauteilgröße | Die Bauteilgröße hat zum einen Einfluss auf technologische Aspekte wie die Randschichtdicke oder die Randfestigkeit. Zum anderen ändern sich mit der Größe auch das durch die Belastung beanspruchte Volumen und die Oberfläche. Das beeinflusst die statistische Verteilung von Fehlstellen. Zudem weißen größere Bauteile bei gleichen Gegebenheiten einen geringeren Spannungsgradienten auf. Damit sinkt die Stützwirkung des umliegenden Materials und somit auch die Dauerfestigkeit. |
| Sonstige | Die Bauteilgröße hat zum einen Einfluss auf technologische Aspekte wie die Randschichtdicke oder die Randfestigkeit. Zum anderen ändern sich mit der Größe auch das durch die Belastung beanspruchte Volumen und die Oberfläche. Das beeinflusst die statistische Verteilung von Fehlstellen. Zudem weißen größere Bauteile bei gleichen Gegebenheiten einen geringeren Spannungsgradienten auf. Damit sinkt die Stützwirkung des umliegenden Materials und somit auch die Dauerfestigkeit. |
Externe Einflussfaktoren
Auch externe Einflussfaktoren bzw. der Einsatzzweck des Werkstücks müssen hinsichtlich der Dauerfestigkeit berücksichtigt werden.
| Art der Beanspruchung | Beanspruchung in Form von Schubspannung setzt eine höhere Dauerfestigkeit voraus als Beanspruchungen, die Normalspannung erzeugen. |
| Belastungsspitzen | Kommt es zu Belastungsspitzen oberhalb der Dauerfestigkeit eines Materials, kann eine Absenkung der Dauerfestigkeit erfolgen. Belastungen, die zuvor kein Problem dargestellt haben, können nun zu weiterer Schädigung beitragen. Die Bemessungswöhlerlinien helfen, diesen Effekt zu berücksichtigen. |
| Korrosion | Mit zunehmender Korrosion nimmt die Dauerfestigkeit eines Bauteils ab. Sie fördert die Entstehung und das Wachstum von Rissen. |
| Kerbwirkung | Je schärfer die Kerbe, desto negativer ist der Einfluss auf die Dauerfestigkeit des Bauteils. Hingegen nimmt die Dauerfestigkeit der lokalen Kerbspannung durch die Stützwirkung zu. |
| Temperatur | Bei geringen Temperaturen steigt die statische Festigkeit und damit grundsätzlich auch die Dauerfestigkeit. Allerdings sinkt die Duktilität, was sich wiederum negativ auf die Dauerfestigkeit auswirkt. Bei hohen Temperaturen nimmt die Dauerfestigkeit hingegen ab. Wann genau das der Fall ist, variiert je nach Material. Die FKM-Richtlinie sieht eine Berücksichtigung der Temperatur außerhalb folgender Bereiche vor: ● Stahl: -40 °C bis 500 °C ● Gusseisen: -25 °C bis 500 °C ● Aluminium: -25 °C bis 200 °C |
Wie lässt sich die Dauerfestigkeit erhöhen?
Wesentliche Hebel zur Erhöhung der Dauerfestigkeit eines Bauelements sind die Konstruktionsweise der Maschine und eine Oberflächenhärtung des Werkstoffs. Wird durch die Konstruktion eine geringere Kerbwirkung erreicht, erhöht sich dadurch automatisch die Dauerfestigkeit. Um hingegen die Dauerfestigkeit des Materials zu erhöhen, bietet sich eine Oberflächenhärtung mittels Randschichthärten oder Einsatzhärten an.
