Ermüdung

Was ist Ermüdung?

Der Ermüdungstest ist ein Test, bei dem wiederholt Belastungen unterhalb der statischen Festigkeit auf eine Probe ausgeübt werden und gleichzeitig die Anzahl der Zyklen bis zum Versagen bestimmt wird. Die Ergebnisse werden als Spannungs-Zyklus-Kurve (Wöhlerlinie) dargestellt.

Zweck von Ermüdung

Der Zweck besteht darin, die Lebensdauer von Teilen vorherzusagen, die unter wiederholter Belastung arbeiten, und die Ermüdungsfestigkeitsgrenze für die Konstruktion zu bestimmen.

Bei welchen Produkten wird Ermüdung angewendet?

Wellen, Achsen und Antriebskomponenten
Federn und Befestigungselemente
Geschweißte Strukturverbindungen
Luft- und Raumfahrt- und Automobilkomponenten
Druckbehälter und Rohre

In welchen Branchen wird Ermüdung eingesetzt?

MetallStahlMaschinenIndustrieausrüstungKunststoffe

Normen zu Ermüdung

ISO 1099
ISO 1143
ASTM E466
ASTM E606
ISO 12107

Prüfbedingungen für Ermüdung

Ladetyp: Axiale Spannung – Kompression, rotierende Biegung oder Torsion
Stressverhältnis: R = σmin/σmax; in der Spezifikation definiert
Frequenz: So gewählt, dass eine Erwärmung verhindert wird; typischerweise 5–100 Hz
Beendigung: Bruch oder Erreichen der definierten Anzahl von Zyklen (z. B. 10⁷)

Prüfgerät für Ermüdung

Servohydraulische oder Resonanzermüdungsmaschine
Rotations-Biege-Ermüdungsmaschine
Zyklenzähler und automatische Abschaltung
Temperaturüberwachung

Probenanforderungen für Ermüdung

Die Probenoberfläche muss auf die in der Norm definierte Rauheit bearbeitet werden
Die Oberfläche muss einwandfrei sein, wenn keine Kerben oder Unebenheiten vorgesehen sind
Für eine Wöhlerkurve sind Proben mit mehreren Spannungsniveaus erforderlich
Es werden mindestens drei Exemplare pro Level empfohlen

Dauer von Ermüdung

Dies ist ein Langzeittest. Ein 10⁷-Zyklus-Test kann je nach Häufigkeit mehrere Tage bis mehrere Wochen dauern.

Ablauf von Ermüdung

1Die Proben werden bearbeitet und ihre Abmessungen gemessen.
2Es werden Stressniveaus und das Stressverhältnis ermittelt.
3Die Probe wird axial in der Maschine montiert.
4Die wiederholte Belastung wird mit der definierten Häufigkeit gestartet.
5Die Belastung setzt den Bruch oder den Beendigungszyklus fort.
6Die Anzahl der Zyklen für jede Stufe wird aufgezeichnet und die Wöhlerkurve wird aufgezeichnet.

Annahmekriterien für Ermüdung

Als Akzeptanzkriterium wird in der Spezifikation eine Mindestanzahl von Zyklen bei einem bestimmten Spannungsniveau bzw. eine Mindestermüdungsfestigkeit angegeben.

Auswertung der Ergebnisse

Wöhlerkurve und Streuung werden gemeinsam ausgewertet. Ein Bruch am Griff oder an einer Diskontinuität kann das Ergebnis ungültig machen; Die Bruchfläche wird untersucht, um den Ausgangspunkt zu bestimmen.

Prüfbericht zu Ermüdung

Angewendeter Standard und Belastungstyp
Stresslevel und Stressverhältnis
Frequenz und Umgebungsbedingungen
Anzahl der Zyklen für jede Probe
Wöhlerkurve und Bruchflächenbeurteilung

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 Ermüdung 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 Ermüdung

Wie lange dauert der Ermüdungstest?

Dies hängt von der angestrebten Zyklenzahl und der Frequenz ab. Tests mit hohem Zyklus (10⁷) können Wochen dauern; Die Terminplanung wird daher bereits in der Angebotsphase geklärt.