Zyklischer Dauerfestigkeitstest

Er repräsentiert

Im Maschinenbau ist die Belastbarkeit gegenüber wiederholten Belastungen einer der wichtigsten Faktoren für die Lebensdauer und Leistungsfähigkeit eines Bauteils. Viele Industriebauteile versagen nicht aufgrund kurzzeitiger, intensiver Belastungen, sondern aufgrund kontinuierlicher, zyklischer Belastungen. Diese Art von Versagen wird als „Materialspannung“ bezeichnet. Spannungen können unter dem Einfluss kleiner, aber wiederholter Kräfte auftreten und letztendlich zu einem plötzlichen Versagen führen. Die Bewertung dieser Eigenschaften erfordert einen Test,
der als Lebensdauerprüfung oder Belastungsprüfung bezeichnet wird.

Dieser Test zählt zu den wichtigsten in verschiedenen Branchen, darunter die Automobil-, Luft- und Raumfahrt-, Medizintechnik-, Metallverarbeitungs-, Haushaltsgeräte- und sogar Polymerkomponentenindustrie. Er dient dazu, die Belastbarkeit eines Materials bei wiederholten Belastungen zu überprüfen, seine Lebensdauer zu bestimmen und sein Verhalten unter realen Betriebsbedingungen vorherzusagen.

Das Konzept der körperlichen Erschöpfung

Materialermüdung tritt auf, wenn ein Werkstoff wiederholter Belastung ausgesetzt ist. Selbst wenn diese Belastungen unterhalb der Streckgrenze oder Zugfestigkeit des Werkstoffs liegen, können sich durch wiederholte Belastung mikroskopisch kleine Risse an oder unter der Oberfläche bilden. Mit der Zeit können sich diese Risse ausbreiten und schließlich zum Versagen des gesamten Bauteils führen. Es ist wichtig zu beachten, dass sich Materialermüdung typischerweise nicht durch offensichtliche Verformungen oder Warnzeichen
bemerkbar macht .

Aus ingenieurtechnischer Sicht lässt sich die Ermüdung in drei Stadien unterteilen:

Rissbildung beginnt: ein Prozess, bei dem sich kleine Risse an der Oberfläche bilden.
Myomproliferation: ein Prozess, bei dem sich die Fissuren während des Schwangerschaftszyklus allmählich erweitern.
Endgültiges Versagen: wenn der verbleibende Querschnitt die Last nicht mehr tragen kann.

Grundkriterien für regelmäßige Dauerhaftigkeitsprüfungen

Zur Bestimmung des Dauerfestigkeitstests müssen mehrere Schlüsselparameter definiert werden:

Zulässige Spannung: die Differenz zwischen dem maximalen und dem minimalen Spannungswert während eines Zyklus.
Durchschnittsdruck: Durchschnittlicher Druck über den gesamten Zeitraum.
Übersetzungsverhältnis (R-Verhältnis): Dies ist das Verhältnis zwischen minimaler und maximaler Spannung, das die Art der Last bestimmt.
Lastfrequenz: die Anzahl der Wiederholungen eines Zyklus pro Zeiteinheit, üblicherweise gemessen in Hertz.
Versagenszyklen (Nf): die Anzahl der Lasten, die eine Probe vor dem Versagen aushalten kann.
Lastart: Dies kann Zug-, Druck-, Biege-, Torsions- oder eine kombinierte Last sein.

Arten von periodischen Ermüdungs- und Dauerhaftigkeitsprüfungen

1. Ausfall durch hohe Zyklenzahl (HCF)

In diesem Fall liegt die Belastung im elastischen Bereich, und die Anzahl der Lastwechsel ist sehr hoch (typischerweise 10⁴ bis 10⁷ oder höher).
Bei der Hochzyklusermüdung ist die plastische Verformung minimal, und der Bruch beginnt typischerweise in Bereichen mit Oberflächenfehlern. Die Testergebnisse werden üblicherweise als Wöhlerlinie
dargestellt , wobei die horizontale Achse die Anzahl der Lastwechsel bis zum Bruch (N) und die vertikale Achse die Spannung (S) angibt.

2. Niedrige Zyklusspannung (LCF)

Bei der Niedrigzyklusermüdung ist die Spannungs- oder Dehnungsamplitude hoch, und das Material tritt in den Bereich der plastischen Verformung ein. In dieser Phase ist die Anzahl der Zyklen relativ gering (üblicherweise unter 10⁴). Da die plastische Verformung eine entscheidende Rolle spielt, wird das ε-N-Diagramm (Zahl der Dehnungszyklen) verwendet, um das Materialverhalten in diesem Bereich zu analysieren .

3. Mehrachsige und zusammengesetzte Prüfungen

Bei vielen Industrieprodukten treten Spannungen in mehreren Richtungen auf. Daher sind mehrachsige Prüfungen erforderlich, um die Auswirkungen kombinierter Belastungen (Zug, Biegung, Torsion usw.) zu untersuchen. Solche Prüfungen sind besonders wichtig für komplexe Produkte wie Kurbelwellen, Achsen für Kraftfahrzeuge und Metallarmaturen.

4. Prüfung der Umweltbeständigkeit

Umweltbedingungen wie Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Korrosion und Druck können die Dauerfestigkeit erheblich beeinflussen.
Daher werden regelmäßig Dauerfestigkeitsprüfungen in korrosiven Hochtemperaturumgebungen oder in Umgebungen durchgeführt, die reale Bedingungen simulieren, um die kombinierten Auswirkungen verschiedener Faktoren zu bewerten.

Ausrüstung für regelmäßige Dauerhaftigkeitsprüfungen

Die in diesem Test verwendete Spezialausrüstung wird als Ermüdungsprüfmaschine oder dynamische Prüfmaschine bezeichnet . Diese Maschinen unterscheiden sich je nach Materialart, Belastung und Testzweck. Zu den Hauptkomponenten der Ausrüstung gehören:

Lastrahmen: Die Hauptstruktur der Vorrichtung, die dazu dient, die Probe an ihrem Platz zu halten.
Dynamische Energiequelle: kann hydraulisch oder elektromechanisch sein.
Kraftmessdose: Wird zur genauen Messung der aufgebrachten Kraft verwendet.
Klemmen oder Zangen: Dienen dazu, Proben an Ort und Stelle zu halten und ein Verrutschen oder Verdrehen zu verhindern.
Weg- und Dehnungsmessstreifen: werden verwendet, um die Dehnung in jedem Zyklus zu messen.
Steuerungssystem und Software: dienen zur Steuerung von Frequenz, Lastbereich und Datenaufzeichnung.
Umweltprüfkammer: Falls Prüfungen bei bestimmten Temperaturen oder Bedingungen erforderlich sind.

Methoden zur Durchführung periodischer Dauerhaftigkeitsprüfungen

Die allgemeinen Schritte zur Durchführung dieses Tests sind wie folgt:

Probenvorbereitung: Die Proben müssen standardisierte Abmessungen und Oberflächenformen aufweisen. Es ist entscheidend, dass die Oberfläche gleichmäßig und rissfrei ist.
Einspannen der Probe in das Gerät: Stellen Sie die Klemmen so ein, dass die aufgebrachte Kraft genau in die gewünschte Richtung gerichtet ist.
Testparameter definieren: einschließlich Spannungsamplitude, R-Faktor, Belastungsfrequenz und Zielzahl der Zyklen.
Testdurchführung: Das Gerät wird wiederholt belastet, bis ein Ausfall eintritt oder eine bestimmte Anzahl von Zyklen erreicht ist.
Datenüberwachung und -aufzeichnung: Während des Tests werden Daten wie Kraft, Verformung, Temperatur und Zeit aufgezeichnet.
Fehlerinspektion: Nach Abschluss des Tests wird die beschädigte Oberfläche unter einem Mikroskop untersucht, um die Lage des Risses und die Art des Defekts zu bestimmen.
Auswertung der Ergebnisse: Erstellung von SN- oder ε-N-Diagrammen und Ermittlung von Ermüdungsparametern.

Analyse der Testergebnisse

1. Signal-Rausch-Verhältnis-Diagramm

In diesem Diagramm stellt die vertikale Achse die Spannung und die horizontale Achse die Anzahl der Lastwechsel dar. Mit zunehmender Lastwechselzahl sinkt die zulässige Spannung.
Bei manchen Werkstoffen, wie beispielsweise bestimmten Stahlsorten, gibt es eine Grenze, unterhalb derer der Werkstoff nicht versagt. Diese Grenze wird als Dauerfestigkeit bezeichnet .

2. Baskins Gesetz

Eine gängige Beziehung zur Beschreibung von Ermüdung infolge hoher Geschwindigkeiten lautet wie folgt:

$σa=σf'(2Nf)b\sigma_a = \sigma’_f (2N_f)^b$

Wo:

$σa\sigma_a$ Potentialkapazität
$σf′\sigma’_f$ Ermüdungswiderstandskoeffizient
$b$ : Negativer Leistungsfaktor (materialabhängig)
$N_f$ Anzahl der Fehlerzyklen

3. Deformationsmodell (Coviffin-Manson)

Bei der Niedrigzyklusermüdung mit signifikanter plastischer Verformung wird folgende Formel verwendet:

$Δε=σf′E(2Nf)b+εf′(2Nf)c\Delta \varepsilon = \frac{\sigma’_f}{E}(2N_f)^b + \varepsilon’_f (2N_f)^c$

Hierbei ist $εf′\varepsilon’_f$ $_{und}$ $c$ der plastische Spannungsmodul.

4. Ausbreitung von Ermüdungsrissen

In metallischen Werkstoffen erfolgt die Rissausbreitung unter Belastung allmählich. Die Rissausbreitungsgeschwindigkeit wird üblicherweise durch die Paris-Gleichung ausgedrückt:

$badN=C(ΔK)m\frac{da}{dN} = C(\Delta K)^m$

in diesem Zusammenhang:

$a$ : Länge der Lücke
$N$ : Anzahl der Wiederholungen
$ΔK /$ $:$ Spannungsbereich
$C$ und $m$ : Koeffizienten, die von der Materialart abhängen.

Mithilfe dieser Gleichung lässt sich die Geschwindigkeit der Rissausbreitung vorhersagen und die verbleibende Nutzungsdauer bestimmen.

Ortas Schraubenpumpe

Faktoren, die das Ermüdungsalter beeinflussen

Materialart und -struktur: Mikrostruktur, Korngröße und chemische Zusammensetzung spielen eine wichtige Rolle.
Oberflächenbeschaffenheit: Kratzer, Abnutzungsspuren oder raue Oberflächen können zur Entstehung von Rissen führen.
Wärmebehandlung: Prozesse wie Normalisieren , Abschrecken und Fermentieren können die Dauerfestigkeit verändern.
Eigenspannungen: Durch Oberflächenkompression lässt sich die Dauerfestigkeit verbessern.
Umgebungsbedingungen: Luftfeuchtigkeit, Temperatur und aggressive Umgebungsbedingungen können sich negativ auswirken.
Form und Geometrie des Bauteils: Spannungskonzentrationen in Ecken, Löchern oder Schweißbereichen verringern häufig die Dauerfestigkeit.

Industrielle Anwendung für regelmäßige Dauerhaftigkeitsprüfungen

Luft- und Raumfahrtindustrie

In der Luftfahrtindustrie sind Triebwerkschaufeln, Flugzeugzellen und Verbindungselemente ständigen zyklischen Belastungen ausgesetzt. Selbst kleinste Ermüdungsrisse können zu einem katastrophalen Ausfall führen. Regelmäßige Dauerfestigkeitsprüfungen sind daher unerlässlich, um die Flugsicherheit zu gewährleisten und den Bedarf an Komponentenwartung oder -austausch zu ermitteln .

Automobilindustrie

Fahrzeugachsen, Federn, Querlenker, Kurbelwellen und Gelenke sind ständig unterschiedlichen Belastungen ausgesetzt. Regelmäßige Festigkeitsprüfungen dienen dazu, die Lebensdauer vorherzusagen , die Sicherheit zu verbessern und die Gewährleistungskosten zu senken.

Energie- und Kraftwerke

Turbinen, Verdichterschaufeln und andere Kraftwerkskomponenten sind zyklischen Schwingungen und Belastungen ausgesetzt. Die Beurteilung ihrer zyklischen Festigkeit ist entscheidend für die Konstruktion dieser Geräte und die Vermeidung vorzeitiger Ausfälle.

Ärzteteam

Die in Knochenimplantaten und künstlichen Gelenken verwendeten Materialien sind zyklischen Belastungen durch menschliche Bewegungen ausgesetzt. Belastungstests dieser Komponenten sind daher entscheidend, um ihre Langlebigkeit über viele Jahre hinweg zu gewährleisten.

Haushaltsgeräte und Konsumgüter

Komponenten wie Scharniere, Federn, Zahnräder, Befestigungselemente und bewegliche Kunststoffteile müssen regelmäßig auf ihre Haltbarkeit geprüft werden, um die Lebensdauer und Qualität des Produkts zu gewährleisten.

Sibeks Unternehmensgruppe

Probleme und Grenzen des Testens

Zeitaufwand: Das Testen von Millionen von Kursen kann Tage oder sogar Wochen dauern .
Interne Erwärmung: Bei hohen Frequenzen kann eine hohe Probentemperatur die Ergebnisse verfälschen.
Die Ergebnisse sind uneinheitlich: Der Ermüdungsprozess ist von Natur aus sporadisch und erfordert wiederholte Tests und statistische Analysen.
Stichprobengröße: Das Verhalten einer kleinen Stichprobe spiegelt möglicherweise nicht vollständig das Verhalten des tatsächlichen Produkts wider.
Hohe Kosten: Moderne Geräte zur Ermüdungsprüfung, insbesondere hydraulische Prüfmaschinen, sind teuer.

Endlich

Regelmäßige Dauerhaftigkeitsprüfungen gehören zu den wichtigsten Methoden zur Beurteilung der Leistungsfähigkeit und Lebensdauer von Werkstoffen und Bauteilen unter wiederholter Belastung.
Diese Prüfungen ermöglichen:

Die tatsächliche Lebensdauer der Komponente ist vorhersehbar.
Durch die Einführung eines sichereren und optimierten Konstruktionskonzepts,
Verhinderung plötzlicher Betriebsausfälle von Anlagen
Und die Verbesserung der Endqualität des Produkts.

In fortschrittlichen Industrien sind präzise und wissenschaftlich validierte Ermüdungsprüfungen unerlässlich für die Produktentwicklung und die Qualitätskontrolle. Fortschritte in der Messtechnik, der Analysesoftware und der hochentwickelten Ausrüstung ermöglichen es, das Ermüdungsverhalten genau zu modellieren und die Bauteilkonstruktion zu optimieren.