Werkstoffprüfung

Wöhlerkurve

In diesem Video erklären wir dir wozu du die Wöhlerkurve in der Werkstoffprüfung brauchst und was ihre Aussage ist.

Inhaltsübersicht

Feststellung der Bruchlastspielzahlen bei dynamischen Beanspruchungen

Die Wöhlerkurve wurde nach August Wöhler benannt. Damals kam es zu mehreren Entgleisungen von Zügen aufgrund gebrochener Radsatzwellen, obwohl die Bauteile laut Festigkeitslehre der Belastung eigentlich standhalten sollten.

Wechselbeanspruchung, Belastbarkeit, Wöhlerkurve
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Wöhlers Erkenntnis

Wöhler kam dabei zu einer wichtigen Erkenntnis: Wechselbeanspruchte Materialien weisen eine geringere Belastbarkeit auf als statisch belastete. Wechselbeansprucht bedeutet hierbei, dass das Bauteil zeitlich nicht durchgehend gleich, sondern unterschiedlich schwer belastet wird.

Durchführung des Wöhlerversuches

Die Wöhlerkurve untersucht, ähnlich wie das Smith-Diagramm, also dynamische Beanspruchungen. In dem sogenannten „Wöhlerversuch“ werden Bauteile unter einer sinusförmigen Beanspruchungs-Zeit Funktion belastet. Dazu werden die Materialien periodisch über einen längeren Zeitraum .

Wöhlerlinie, Wöhlerkurve, Spannungsamplitude, Bruchlastspielzahl
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Dynamische Beanspruchungen

Es werden dabei mehrere Proben mit geprüft. Anschließend wird jede Spannungsamplitude der Proben über die . Der Bruchlastspielzahl oder auch Bruchlastspiegel gibt die Anzahl der Schwingspiele an.  Damit erhält man die Wöhlerlinie.

Aufstellen der Wöhlerlinie und der Low Cycle Bereich bzw. die Langzeitfestigkeit

Prinzipiell können in diesem drei Bereiche unterschieden werden. Im linken Bereich liegt die sogenannte Kurzzeitfestigkeit vor. Bei großen Amplituden bricht hier die Probe nach wenigen Lastspielen.

Kurzzeitfestigkeit, Langzeitfestigkeit, Dauerfestigkeit, low-cycle-fatigue, high-cycle-fatigue, Wöhlerkurve, Wöhlerlinie
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Bruchlastspigel mit den drei Zonen

Dieser Bereich wird auch als Low-Cycle- Fatigue, kurz LFC-Bereich bezeichnet. Er liegt bei maximal 10^4 bis 10^5 Schwingspielen.

Der Bereich der Zeitfestigkeit bzw. Betriebsfestigkeit

Danach wird die Spannungsamplitude verringert und geht in den Zeitfestigkeitsbereich zwischen 10^4  und 2\ast{10}^6  Schwingamplituden über. Dieser Bereich wird auch High-Cycle- Fatigue bzw. Betriebsfestigkeit genannt und ist materialabhängig. Unterhalb einer bestimmten Spannungsamplitude tritt fast kein Bruch mehr auf.

Die Kurve nähert sich einer Horizontalen an. Diesen Bereich bezeichnet man als Dauerfestigkeit, er liegt bei 10^6  bis 5\ast{10}^6 Schwingspielen.

Tabelle mit Beispielwerten zum Wöhlerversuch

In dieser Tabelle sind die Spannungswechsel bei verschiedenen Belastungen die bis zum Bruch der Bauteiles durchgeführt werden können aufgelistet.

Nr. Spannungsausschlag in N/mm^2 Lastwechsel bis Bruch
1. +/- 400 42534
2. +/- 350 8465
3. +/- 300 22457
4. +/- 250 70465
5. +/- 200 104899
6. +/- 180 5 Milionen ohne Bruch

Untersuchung der Langzeitfestigkeit

Der angegebene Bereich der Dauerfestigkeit wird noch durch äußere Einflussfaktoren wie Korrosion oder hohe Temperaturen verändert.

maximale Beanspruchung, Wöhlerkurve, Wöhlerlinie
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Beispiel zur Langzeitfestigkeit

Stelle Dir doch einfach einmal vor, ein Einbrecher versucht in deine Wohnung zu gelangen. Um deine Tür aufzubrechen hat er aber anstatt eines Brecheisens nur einen Zahnstocher zur Verfügung. Egal wie oft er nun versucht deine Tür aufzustemmen, er wird wohl kaum erfolgreich sein, oder?

Erweiterung des Wöhlerdiagramms in die dritte Dimension

Man kann das Wöhlerdiagramm auch um eine z-Achse erweitern. Diese erlaubt eine Aussage über die Wahrscheinlichkeit, dass das Bauteil bricht und wird auch als Bruchwahrscheinlichkeit bezeichnet.

Bruchwahrscheinlichkeit, Wöhlerlinie, Wöhlerkurve,
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Erweitertes Wöhlerdiagramm

Sehr schön! Nun weiß du was das Wöhlerdiagramm ist und wofür du es in der Werkstoffprüfung es brauchst.

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