Geringe Zyklenermüdung

Was ist Kurzzeitfestigkeit (LCF)?

Bei der Ermüdungsprüfung mit niedriger Lastspielzahl wird die Probe wiederholt einer dehnungskontrollierten Belastung mit plastischer Dehnung ausgesetzt. Die Spannungs-Dehnungs-Schleife (Hysterese) wird bei jedem Zyklus aufgezeichnet. Die Lebensdauer liegt normalerweise in der Größenordnung von Zehntausenden von Zyklen oder weniger.

Zweck von Kurzzeitfestigkeit (LCF)

Ziel ist es, das Verhalten des Werkstoffs bei wiederholter Belastung im plastischen Bereich (zyklische Verfestigung oder Erweichung) und seine Lebensdauer zu ermitteln. Es wird für Teile verwendet, die einer geringen Anzahl schwerer Belastungszyklen ausgesetzt sind, wie z. B. Temperaturwechsel, Start-Lande-Zyklen und schwere Belastungszyklen.

Bei welchen Produkten wird Kurzzeitfestigkeit (LCF) angewendet?

Turbinenscheiben und -schaufeln
Druckbehälter- und Rohrverbindungen
Motorkomponenten
Kern- und Kraftwerksausrüstung
Geschweißte Strukturdetails

In welchen Branchen wird Kurzzeitfestigkeit (LCF) eingesetzt?

MetallAutomobilLuft- und RaumfahrtBauwesenMaschinenbauEnergieLuft- und Raumfahrt

Normen zu Kurzzeitfestigkeit (LCF)

ISO 12106 (Metallische Werkstoffe — axial dehnungskontrollierte Ermüdungsprüfung)
ASTM E606 (dehnungskontrollierte Ermüdungsprüfung)
ASTM E2207 (Axial-Torsions-Ermüdung)
ISO 12111 (Dehnungskontrollierte thermomechanische Ermüdung)

Prüfbedingungen für Kurzzeitfestigkeit (LCF)

Kontrolle: Gesamtdehnungsamplitude gesteuert
Dehnungsverhältnis: Aus der Spezifikation; normalerweise vollständig umgekehrt
Wellenform und Rate: Im Standard definiert; Bei Temperatureinflüssen wird dies gesondert angegeben
Gemessene Mengen: Hystereseschleifen, zyklische Stressreaktion, Zyklen bis zum Versagen

Prüfgerät für Kurzzeitfestigkeit (LCF)

Servohydraulisches Prüfsystem mit geschlossenem Regelkreis
Hochauflösender Extensometer
Wärmeofen oder Induktionsanlage (für Heißversuche)
Hochgeschwindigkeits-Datenerfassungssystem
Vorrichtung zur Überprüfung der Ausrichtung

Probenanforderungen für Kurzzeitfestigkeit (LCF)

Probengeometrie und Oberflächenqualität müssen der Norm entsprechen.
Es muss eine Probenkonstruktion gewählt werden, die ein Knicken unter Druck verhindert.
Es ist darauf zu achten, dass die Messerschneiden des Extensometers keine Spuren auf der Probe hinterlassen.
Für jede Dehnungsstufe ist eine separate Probe erforderlich.
Bei Heißprüfungen muss die Probentemperatur direkt an der Probe gemessen werden.

Dauer von Kurzzeitfestigkeit (LCF)

Da das Leben kurz ist, dauert die Prüfung einer einzelnen Probe mehrere Stunden. Da viele Proben mit unterschiedlichen Dehnungsniveaus benötigt werden, dauert die Gesamtstudie Tage; Bei hoher Temperatur kommen noch Aufheizzeiten hinzu.

Ablauf von Kurzzeitfestigkeit (LCF)

1Die Probe wird bearbeitet, vermessen und ausgerichtet in der Maschine montiert.
2Der Dehnungsmesser wird auf der Messlänge der Probe platziert.
3Dehnungsamplitude und Wellenform werden eingestellt.
4Die zyklische Belastung wird gestartet und Hystereseschleifen werden aufgezeichnet.
5Die Veränderung der zyklischen Stressreaktion wird überwacht.
6Der Versuch wird beim definierten Lastabfall bzw. Bruch beendet.
7Es werden die zyklische Spannungs-Dehnungs-Kurve und die Lebensdauerdaten abgeleitet.

Annahmekriterien für Kurzzeitfestigkeit (LCF)

Der Methodenstandard definiert, wie der Test durchgeführt wird, nicht wie das Ergebnis aussehen soll. Die Akzeptanzgrenze ergibt sich aus der Materialnorm, der Produktspezifikation oder der technischen Zeichnung des Kunden; Auf dieser Seite gibt es daher keine zahlenmäßige Begrenzung.

Auswertung der Ergebnisse

Die Ergebnisse werden als Dehnungsamplituden-Lebensdauer-Beziehung bewertet und in der Regel durch die Trennung elastischer und plastischer Komponenten modelliert. Das zyklische Verfestigungs- oder Erweichungsverhalten wird separat gemeldet und direkt in Konstruktionsberechnungen verwendet.

Prüfbericht zu Kurzzeitfestigkeit (LCF)

Probenidentifikation, Materialtyp und ggf. Guss-/Chargennummer
Probengeometrie, Abmessungen und Vorbereitungsmethode
Es gelten Standard- und Testbedingungen
Temperatur und Umgebungsbedingungen prüfen
Messwerte und berechnete Größen
Fotos von Bruchflächen oder Vertiefungen (falls zutreffend)
Messunsicherheit (falls gewünscht)
Eine Aussage, dass das Ergebnis nur für die zum Test eingereichte Probe gilt

Akkreditierung

EUROLAB verfügt über eine international anerkannte Akkreditierung, die von Akkreditierungsstellen erhalten wurde, die Vertragspartei der multilateralen Anerkennungsvereinbarungen IAF und ILAC sind, gemäß ISO/IEC 17025 für Labortests, ISO/IEC 17020 für Inspektion und Überwachung sowie ISO/IEC 17021-1 und ISO/IEC 17065 für System- und Produktzertifizierung. Diese Kette stellt sicher, dass die ausgestellten Berichte und Zertifikate weltweit akzeptiert werden.

Ob dieser Test im akkreditierten Rahmen angeboten werden kann, hängt von Ihrem Produkt und der angewandten Norm ab; Da die Akkreditierung methodenbasiert erfolgt, wird der Umfang bereits im Angebotsstadium schriftlich bestätigt.

Geltungsbereich und Berechtigungen

Mekanik Testler — Was umfasst dieser Prüfbereich?

Der folgende Abschnitt beschreibt das Gebiet, zu dem der Test Kurzzeitfestigkeit (LCF) gehört; die Bedingungen und Abnahmekriterien dieses konkreten Tests stehen in den obigen Abschnitten. Der für Ihr Produkt spezifische Umfang wird schriftlich im Angebotsstadium festgelegt.

Mechanische Prüfungen messen, wie sich ein Werkstoff oder ein Bauteil unter Krafteinwirkung verhält. Die Familie reicht von statischer Belastung (Zug, Druck, Biegung) über zeitabhängiges Verhalten (Ermüdung, Kriechen) bis zu Härte und Verschleiß sowie Bruchzähigkeit.

Das gemeinsame Merkmal dieser Prüfungen ist, dass das Ergebnis als WERKSTOFFEIGENSCHAFT ausgewiesen wird. Streckgrenze oder Härte sind keine Konformitätsentscheidung; sie sind Zahlenwerte, mit denen Konstruktion und Produktnorm verglichen werden. Mechanische Prüfberichte sind daher meist Eingangsgröße für eine technische Entscheidung und nicht für eine Produktzulassung — Werkstoffauswahl, Sicherheitsfaktor, Lebensdauervorhersage.

Die Unterscheidung zwischen statischem und dynamischem Verhalten ist der Schlüssel zum Verständnis des Bereichs. Ein Bauteil kann unter statischer Last völlig unbelastet erscheinen und dennoch unter wiederholter Belastung brechen; der Ermüdungsbruch tritt bei Spannungen weit unter der Streckgrenze auf und gibt keine Vorwarnung. Bei rotierenden, schwingenden oder zyklisch belasteten Bauteilen ist eine Zugprüfung allein daher kein ausreichender Nachweis.

Die Prüfbedingungen bestimmen das Ergebnis, und dies ist entscheidend für die Lesbarkeit des Berichts: Probengeometrie, Belastungsgeschwindigkeit, Temperatur, Konditionierung und Einspannanordnung. Derselbe Werkstoff liefert unter unterschiedlichen Bedingungen unterschiedliche Werte. Bei Kunststoffen ist der Geschwindigkeitseffekt sehr ausgeprägt, bei Metallen der Temperatureffekt; bei Verbundwerkstoffen verändert die Probenausrichtung das Ergebnis vollständig.

Härte ist die am häufigsten missbrauchte Messgröße in diesem Bereich. Da sie schnell, nahezu zerstörungsfrei und kostengünstig ist, wird sie oft anstelle der Festigkeit verwendet. Umrechnungstabellen von Härte zu Festigkeit existieren, sind aber NÄHERUNGSWEISE und hängen von der Werkstoffgruppe ab; sie als einziges Beweismittel bei der Werkstoffabnahme zu verwenden, ist falsch.

Der Bereich der Bruchmechanik erfordert eine besondere Kompetenz. Messungen der Bruchzähigkeit und der Ermüdungsrisswachstumsrate ermöglichen es zu berechnen, wie lange eine rissbehaftete Struktur hält; sie sind die Grundlage schadenstoleranter Auslegung in Bereichen wie Druckgeräten, Flugzeugstrukturen und Rohrleitungen.

Methodengruppen in diesem Bereich

Statische Prüfungen
Zug, Druck, Biegung, Scherung und Torsion. Streckgrenze und Zugfestigkeit, Dehnung und Elastizitätsmodul werden ermittelt.
Kerbschlagprüfungen
Charpy- und Izod-Kerbschlagbiegeversuch; das Sprödbruch-Zäh-Übergangsverhalten des Werkstoffs wird temperaturabhängig ermittelt.
Härte
Brinell, Vickers, Rockwell, Shore und Mikrohärte. Wertvoll für die Tiefe der Oberflächenbehandlung und lokale Festigkeitsunterschiede.
Ermüdung
Kraft- und dehnungsgesteuerte axiale Ermüdung, Biegeermüdung; Wöhlerkurven (S-N) und Dauerfestigkeitsgrenze.
Kriechen und Spannungsrelaxation
Verhalten unter Langzeitbelastung bei hoher Temperatur; entscheidend für Werkstoffe von Kesseln, Turbinen und Druckgeräten.
Bruchmechanik
Ebene-Dehnung-Bruchzähigkeit, J-Integral, CTOD und Ermüdungsrisswachstumsrate.
Verschleiß und Reibung
Taber- und Drehtrommel-Abrasion, Reibungskoeffizientenmessungen.

Häufig verwechselt in diesem Bereich

Die Berechnung der Festigkeit aus der Härte ist näherungsweise; sie kann nicht als alleiniger Nachweis bei der Werkstoffabnahme verwendet werden.
Ausreichende statische Festigkeit belegt nicht die Ermüdungsfestigkeit; ein zyklisch belastetes Bauteil erfordert eine gesonderte Prüfung.
Wird die Prüfgeschwindigkeit und -temperatur nicht angegeben, ist das Ergebnis nicht vergleichbar — insbesondere bei Polymeren und Verbundwerkstoffen.
Ein Prüfkörper und das tatsächliche Bauteil liefern möglicherweise nicht denselben Wert; Formfließrichtung, Bindenähte und Unterschiede in der Oberflächenbehandlung wirken sich alle aus.
Ein für einen Verbundwerkstoff angegebener Festigkeitswert ist ohne Angabe der Probenorientierung bedeutungslos.
Die ASTM- und ISO-Gegenstücke messen dieselbe Größe, verwenden aber unterschiedliche Probengeometrien; die Ergebnisse gelten nicht als direkt gleichwertig.

Welche Entscheidungen diese Ergebnisse unterstützen

Konstruktionsverifikation und Werkstoffauswahl
Wareneingangskontrolle und Lieferantenfreigabe
Erfüllung der mechanischen Anforderungen der Produktnorm
Fehleranalyse, Lebensdauervorhersage und Schadenstoleranzberechnung
Verifizierung von Wärmebehandlungs- und Oberflächenbehandlungsprozessen

Häufige Fragen zu Kurzzeitfestigkeit (LCF)

Warum ist es belastungsgesteuert?

Wenn die plastische Dehnung vorherrscht, führt die spannungsgesteuerte Belastung zu einer kumulativen Dehnung der Probe und der Test wird unkontrolliert. Die Dehnungsregelung hält den Zyklus stabil.

Kann das Ergebnis mit High-Cycle-Daten kombiniert werden?

Die beiden Regime stützen sich auf unterschiedliche Mechanismen, es gibt jedoch Lebensmodelle, die beide gemeinsam in der Gestaltung nutzen. Um sie zu kombinieren, müssen beide Regime mit ihren jeweiligen Methoden gemessen worden sein.

Kurzzeitfestigkeit (LCF)