Dauerfestigkeit

Dauerfestigkeit (Materialermüdung)

Die Dauerfestigkeit beschreibt das Verhalten eines Werkstoffs unter dynamischer, wechselnder Belastung (Schwingungen, Rotation).
Ein Bauteil kann bei dynamischer Belastung schon bei Spannungen brechen, die weit unterhalb der Streckgrenze () oder Zugfestigkeit () liegen. Dieses Phänomen nennt man Materialermüdung.

Das Büroklammer-Prinzip

Wenn du eine Büroklammer einmal aufbiegst, hält sie (statische Festigkeit).
Biegst du sie aber 20-mal hin und her, bricht sie irgendwann, obwohl du nicht "fester" drückst als beim ersten Mal. Das Material ist "ermüdet".

1. Die Wöhlerkurve (Wöhlerlinie)

Das zentrale Werkzeug zur Bestimmung der Dauerfestigkeit ist der Wöhlerversuch (nach August Wöhler). Dabei werden Proben mit unterschiedlichen Spannungen () so lange belastet, bis sie brechen. Das Ergebnis ist die Wöhlerkurve.

Sie teilt sich in drei Bereiche auf:

A. Kurzzeitfestigkeit ()

  • Hohe Belastung, Bruch tritt sehr schnell ein (wenige Lastwechsel).
  • Hier findet meist schon plastische Verformung statt.

B. Zeitfestigkeit ()

  • Der Bereich der abfallenden Kurve.
  • Das Bauteil hält eine gewisse Zeit ("Lebensdauer"), bricht aber irgendwann.
  • Anwendung: Getriebezahnräder im Auto (sind oft nur zeitfest ausgelegt, nicht für die Ewigkeit).

C. Dauerfestigkeit ()

  • Die Kurve verläuft (bei Stahl) waagerecht.
  • Wenn die Spannung unter diesem Grenzwert () liegt, bricht das Bauteil theoretisch nie. Es erträgt unendlich viele Lastwechsel.
  • Grenze bei Stahl: Meist bei bis Lastwechseln.
Achtung bei Aluminium

Nicht alle Metalle haben eine echte Dauerfestigkeit! Bei Aluminium fällt die Kurve immer weiter leicht ab. Hier gibt es keine "unendliche" Haltbarkeit, sondern nur eine Bezugsdauerfestigkeit (z. B. definiert bei Zyklen).

2. Die Belastungsarten

Wie "schlimm" die Belastung ist, hängt davon ab, wie die Spannung schwankt.

Belastungsfall Erklärung Beispiel Gefährlichkeit
I: Ruhend Spannung ist konstant (statisch). Ein Gewicht hängt an einem Seil. Gering
II: Schwellend Spannung schwankt, bleibt aber immer im Plus (Zug) oder immer im Minus (Druck). Pleuel im Motor (meist Druck), Kranseil (Last hoch/runter). Mittel
III: Wechselnd Spannung wechselt zwischen Zug (+) und Druck (-). Nulldurchgang! Rotierende Achse (Oberseite wird gezogen, Unterseite gedrückt). Hoch (niedrigste Festigkeit)

3. Das Smith-Diagramm

Während die Wöhlerkurve meist nur für einen speziellen Fall gilt, fasst das Smith-Diagramm (oder Haigh-Diagramm) alle Belastungsfälle zusammen.
Es zeigt für jede Mittelspannung (), wie groß die Ausschlagsspannung () sein darf, damit das Teil dauerfest ist.

  • Alles innerhalb der Linie Dauerfest.
  • Alles außerhalb Bruchgefahr.

4. Einflussfaktoren (Warum Teile trotzdem brechen)

Der Laborwert () gilt für polierte Probestäbe. In der Realität ist die Dauerfestigkeit viel geringer. Man muss "Abminderungsfaktoren" berücksichtigen:

  1. Kerbwirkung (Der Killer Nr. 1):
    • Ein Gewinde, eine Querbohrung oder ein scharfer Absatz senken die Dauerfestigkeit massiv (oft auf die Hälfte oder weniger!).
  2. Oberfläche:
    • Eine raue Oberfläche (Riefen vom Drehen, Rostnarben) wirkt wie tausende Mikro-Kerben.
    • Gegenmaßnahme: Polieren, Kugelstrahlen.
  3. Bauteilgröße:
    • Große Bauteile haben statistisch mehr Fehlstellen im Gittergefüge als kleine Laborproben. Sie halten verhältnismäßig weniger aus.

5. Merksätze für die Konstruktion

  1. Dynamisch ist anders als Statisch: Ein Bauteil, das eine Tonne statisch hält, kann bei 100 kg Vibration brechen.
  2. Wechselnd ist schlimmer als Schwellend: Wenn die Kraftrichtung sich umkehrt (Zug Druck), sinkt die ertragbare Spannung drastisch.
  3. Oberfläche ist alles: Bei Dauerfestigkeit beginnt der Riss immer an der Oberfläche. Kratzer sind tödlich.

Siehe auch