Hohe Zyklusermüdung

Was ist Zeitfestigkeit (HCF)?

Bei der Ermüdungsprüfung mit hoher Lastspielzahl wird eine Probe wiederholt einer Belastung unterhalb der Elastizitätsgrenze ausgesetzt und die Anzahl der Lastwechselzyklen bis zum Versagen bestimmt. Dies wird bei unterschiedlichen Spannungsamplituden wiederholt und ergibt die Spannungszykluskurve (Wöhlerlinie). Die Belastung erfolgt in der Regel stresskontrolliert.

Zweck von Zeitfestigkeit (HCF)

Ziel ist es, die Lebensdauer des Materials bei wiederholten Belastungen weit unterhalb der statischen Festigkeit zu ermitteln. Bei Teilen, die vielen Zyklen mit geringer Amplitude ausgesetzt sind, beispielsweise durch Vibration und Rotation, stützt sich die Konstruktion auf diese Daten.

Bei welchen Produkten wird Zeitfestigkeit (HCF) angewendet?

Rotierende Teile wie Kurbelwellen, Achsen und Wellen
Federn und Befestigungselemente
Strukturkomponenten für die Luft- und Raumfahrt
Geschweißte Strukturdetails
Aufhängungsteile für Kraftfahrzeuge

In welchen Branchen wird Zeitfestigkeit (HCF) eingesetzt?

MetallAutomobilLuft- und RaumfahrtBauwesenMaschinenbauEnergie

Normen zu Zeitfestigkeit (HCF)

ISO 1099 (Metallische Werkstoffe — Ermüdungsprüfung unter Axialkraftkontrolle)
ASTM E466 (axiale Ermüdungstests mit konstanter Amplitude)
ASTM E739 (statistische Analyse von Ermüdungsdaten)
ISO 12107 (Statistische Planung von Ermüdungsdaten)

Prüfbedingungen für Zeitfestigkeit (HCF)

Ladetyp: Spannungsgesteuerte, konstante Amplitude
Spannungsverhältnis (R): Aus der Spezifikation; wählbar als Zug-Zug oder Zug-Druck
Frequenz: So ausgewählt, dass es nicht zu einer Erwärmung der Probe kommt
Beendigung: Bruch oder Erreichen der in der Spezifikation definierten Zyklenzahl (Unrundheit)

Prüfgerät für Zeitfestigkeit (HCF)

Servohydraulische oder Resonanzermüdungsmaschine
Wägezelle und Ausrichtungsvorrichtung
Zykluszähler und Datenerfassungssystem
Geräte zur Überwachung der Probentemperatur
Stereomikroskop zur Untersuchung von Bruchflächen

Probenanforderungen für Zeitfestigkeit (HCF)

Die Probenoberfläche muss gemäß der Norm bearbeitet und poliert werden; Oberflächenrauheit wirkt sich direkt auf das Leben aus.
Die Probengeometrie muss die Spannungskonzentration minimieren.
Für die Wöhlerkurve sind viele Proben mit mehreren Spannungsniveaus erforderlich.
Der Ort und die Ausrichtung der Probenahme müssen aufgezeichnet werden.
Bei geschweißten Proben müssen die Schweißnahtgeometrie und der Schleifzustand (sofern vorhanden) angegeben werden.

Dauer von Zeitfestigkeit (HCF)

Die Ermüdung bei hohen Zyklen ist von Natur aus langwierig: Eine einzelne Probe kann Millionen von Zyklen erreichen und Tage dauern. Zusammen mit der Anzahl der Proben, die für eine vollständige Wöhlerkurve benötigt werden, erstreckt sich die Studie über Wochen.

Ablauf von Zeitfestigkeit (HCF)

1Die Proben werden bearbeitet, vermessen und ihr Oberflächenzustand aufgezeichnet.
2Die Maschinenausrichtung wird überprüft.
3Stresslevel und Stressverhältnis werden eingestellt.
4Die Probe wird mit der definierten Frequenz getaktet.
5Die Anzahl der Zyklen bei der Fraktur wird aufgezeichnet; Proben, die nicht brechen, werden als Unrundheit gekennzeichnet.
6Der Test wird bei verschiedenen Belastungsniveaus wiederholt.
7Die Wöhlerkurve wird statistisch erstellt und ausgewertet.

Annahmekriterien für Zeitfestigkeit (HCF)

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 Verteilung und nicht einzeln interpretiert. Ermüdungsdaten sind von Natur aus verstreut. Bei der Bewertung werden statistische Ansätze wie ASTM E739 verwendet und eine Entwurfskurve für ein bestimmtes Konfidenzniveau abgeleitet.

Prüfbericht zu Zeitfestigkeit (HCF)

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 Zeitfestigkeit (HCF) 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 Zeitfestigkeit (HCF)

Was ist der Unterschied zwischen Ermüdung bei hohen und niedrigen Zyklen?

Bei der Ermüdung mit hoher Zyklenzahl bleibt die Spannung im elastischen Bereich und die Lebensdauer beträgt Hunderttausende bis Millionen Zyklen; Der Test ist stresskontrolliert. Bei der Kurzzeitermüdung dominiert die plastische Dehnung, die Lebensdauer ist viel kürzer und der Test ist dehnungskontrolliert.

Was bedeutet Auslauf?

Dies bedeutet, dass die Probe die in der Spezifikation definierte Zyklenzahl erreicht, ohne zu brechen. Dies ist kein Fehlerdatenpunkt und wird in der statistischen Auswertung gesondert behandelt.

Zeitfestigkeit (HCF)