Wöhlerversuch

Wöhlerversuch: Ermittlung der Schwingfestigkeit von Werkstoffen und Bauteilen unter Einsatz optischer 3D-Messtechnik

Der Wöhlerversuch, auch bekannt als Dauerschwingversuch oder Schwingfestigkeitsversuch, ist ein zyklischer Belastungstest zur Bestimmung der Schwingfestigkeit von Werkstoffen und Bauteilen. Die Schwingfestigkeit gibt Aufschluss über das Verformungs- und Versagensverhalten eines Werkstoffs bzw. Bauteils bei schwingender, dynamischer Beanspruchung. Die Versuchsergebnisse sind von enormer Bedeutung für den späteren Praxiseinsatz, da zyklisch mechanische Belastungen oft ursächlich für das Bauteilversagen sind. Wer die Schwingfestigkeit genau kennt, kann also präzise Aussagen zur Zeitfestigkeit und Dauerfestigkeit des Werkstoffs bzw. Bauteils treffen und somit sicherstellen, dass während der vorgesehenen Nutzung keine kritischen Werkstoffschädigungen und damit plötzlichen Ermüdungsbrüche eintreten.

Der Wöhlerversuch kann grundlagenforschenden Charakter haben, z. B. wenn neuartige Faserverbundwerkstoffe entwickelt werden – im Automobilbau, im Bereich der Luft- und Raumfahrt oder auch in der Biomechanik. Darüber hinaus ist der Wöhlerversuch fester Bestandteil von Prototypentests: Auf Basis der Wöhlerversuche lassen sich u. a. das Bauteildesign bewerten oder die Produktlebensdauer berechnen. Auf die allgemeinen Materialkennwerte können sich die Konstrukteure bei der Produktentwicklung nicht ungeprüft verlassen, da die Kennwerte nicht 1:1 auf jedes beliebige Bauteil übertragbar sind. Der Grund: Bohrungen, Bauteilgröße und -form und andere Designmerkmale führen zu einer veränderten Spannungskonzentration am Bauteil. Somit wirken sie sich signifikant auf die Schwingfestigkeit der Teile aus und beschleunigen unter Umständen deren Versagen. In der Fachliteratur wird dieses Phänomen als Kerbwirkung bezeichnet.

Wie läuft ein Wöhlerversuch ab?

Der Versuchskörper wird in einem Prüfstand platziert und dort – üblicherweise unter einer sinusförmigen Belastungs-Zeit-Funktion – einer zyklischen Belastung ausgesetzt (Zug, Druck, Biegung, Torsion oder Scherung). Während des Wöhlerversuchs bleibt die Mittelspannung konstant. Die Proben einer Versuchsreihe werden um den Spannungsausschlag (Amplitude) beidseitig der Mittelspannung wechselnd belastet, bis ein vorab definiertes Ereignis eintritt, z. B.:

  • Der Wöhlerversuch läuft, bis die Probe versagt (bzw. ein eindeutig umrissenes Ausfallkriterium eintritt, bspw. ein Bruch).
  • Der Wöhlerversuch endet nach X Zyklen.
  • Der Wöhlerversuch endet, wenn die Grenzschwingspielzahl erreicht ist.

Wissenschaftler und Testingenieure führen immer mehrere Wöhlerversuche an identischen Proben nacheinander durch. Dabei wird der Spannungsausschlag von Probe zu Probe stufenweise verringert (Staircase-Methode), bis das vorab definierte Ereignis (z. B. der Bruch des Versuchskörpers) nicht mehr eintritt bzw. die Grenzschwingzahl erreicht ist. Pro Belastungsamplitude werden in der Regel mindestens drei Versuche durchgeführt, um die Werte statistisch abzusichern.

Die Ergebnisse aller Durchgänge eines Wöhlerversuchs trägt man schließlich in ein Diagramm ein: das Wöhlerdiagramm. Dieses zeigt die Abhängigkeit von Spannungsamplituden (Y-Achse) und deren jeweils ermittelten Schwingspielzahlen (X-Achse) auf. Hieraus ergibt sich die Wöhlerkurve (Synonym: Wöhlerlinie).  

Wie kann man die Verformung im Wöhlerversuch messtechnisch erfassen?

Ein klassisches messtechnisches Hilfsmittel für den Wöhlerversuch ist der Dehnungsmessstreifen (DMS), dessen Widerstandswert sich im Falle einer Dehnung oder Stauchung der Objektoberfläche verändert. Am Markt werden DMS in verschiedensten Materialien und Formen angeboten, sodass für jede Standarduntersuchung passende DMS zur Verfügung stehen. Um die Verformung des zu untersuchenden Werkstoffs bzw. Bauteils zu erfassen, werden ein oder mehrere Dehnungsmessstreifen manuell auf die Probe appliziert.

Was auf dem Papier einfach klingt, hat in der Praxis seine Tücken: Das örtliche Applizieren des DMS stellt einen physikalischen Eingriff in die Beschaffenheit der Probenoberfläche dar. Auch wenn die Klebeschicht des DMS sehr dünn ist, ist eine örtliche Kerbwirkung zu beobachten. Die dadurch entstehenden kleinen Oberflächendefekte können zu unerwünschten Bruchstellen im Bereich des DMS führen, die den Versuch verfälschen. Darüber hinaus bringt der Einsatz des DMS ein zweites Problem mit sich: Nicht nur der im Wöhlerversuch untersuchte Werkstoff ermüdet – auch das Material des DMS unterliegt der Ermüdung. Und gerade bei Hightech-Composites tritt die Materialermüdung des DMS unter Umständen früher ein als die Ermüdung des zu erprobenden Werkstoffs. So kann es sein, dass der Wöhlerversuch früher als eigentlich erwünscht – nämlich schon mit Versagen des DMS – abgebrochen werden muss.

Eine sinnvolle Alternative – oder Ergänzung – zu DMS bietet die optische 3D-Messtechnik: Kamerabasierte Messsysteme verfolgen den Versuchsablauf in Echtzeit aus verschiedenen Perspektiven, zeichnen berührungslos Messdaten auf und geben klaren Aufschluss über die Verformung des Versuchskörpers. Die Messdaten werden automatisch an die angeschlossene Messsoftware übertragen, sodass verschiedenste Auswertungen möglich sind (z. B. der Abgleich der Messdaten mit den Simulationsdaten). 

Welches Messsystem von GOM eignet sich für den Wöhlerversuch?

Das optische 3D-Messsystem ARAMIS erfasst hochpräzise 3D-Koordinaten, 3D-Verschiebungen und 2D-Oberflächendehnungen sowohl vollflächig als auch punktuell. Das Messfeld des ARAMIS Systems lässt sich flexibel an das Versuchsfeld anpassen. Ob Kleinstbauteil oder meterlange Spezialkonstruktion: Die ARAMIS Sensoren haben stets den kompletten Versuchsaufbau im Blick. Im Gegensatz zu konventionellen DMS nimmt das System die Messdaten vollständig berührungslos auf. Bei Bedarf kann der Anwender über die angeschlossene ARAMIS Professional Software zudem virtuelle DMS auf das Bauteil aufbringen – ohne sich im Vorfeld darüber Gedanken machen zu müssen, an welcher Stelle wohl die größte Belastung auftreten wird. Dabei begleitet die Software den Anwender durch den kompletten Messablauf: Angefangen bei der Erfassung der Messdaten über die Analyse von Flächenverformungen oder einzelnen Punkten bis hin zur Erstellung aussagekräftiger Reports, die auch für Außenstehende ohne Messtechnikerfahrung (z. B. Kooperationspartner oder Kunden) einfach zu verstehen und interpretieren sind. Das Ausmaß der Verformung des Probekörpers lässt sich beispielsweise mithilfe einer selbsterklärenden farbigen Abweichungsdarstellung visualisieren.

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3D-Testing mit GOM Systemen. ARAMIS, ARGUS und TRITOP ermöglichen eine detaillierte und zuverlässige Analyse von Bauteilveränderungen.

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