Eigenschaften bei statischer Beanspruchung
Eine statische Beanspruchung ist eine ruhende, schwingungsfreie Belastung in ein- oder mehrachsiger Richtung. Als Berechnungsunterlage dienen bei statischer Beanspruchung in erster Linie die Angaben für Streckgrenze und Zugfestigkeit, bei erhöhten Ansprüchen auch die Kerbschlagzähigkeit, Dehnung und Einschnürung. Im allgemeinen wählt man bei hochbeanspruchten Konstruktionen Stähle im vergüteten Zustand, die ein optimales Streckgrenzenverhältnis (Streckgrenze: Zugfestigkeit . 100 in % c) besitzen. Außerdem wird hierdurch eine gute Zähigkeit erreicht, die bei ausreichender Härtbarkeit bis in den Kern gewährleistet ist. Bei einfachen Querschnitten und Belastungsfällen (Biegung oder Torsion) kann häufig auf eine hohe Festigkeit im Kern verzichtet werden, da sich dort die neutrale Faser befindet. Häufiger tritt jedoch eine mehrachsige Belastung auf, bei der die Eigenschaften an der Oberfläche und im Kern annähernd gleich sein sollten.

Es muss auch berücksichtigt werden, dass Festigkeit und Zähigkeit in einem umgekehrt proportionalen Verhältnis stehen. Soll durch eine Festigkeitserhöhung die Dimensionierung eines Bauteiles verringert werden, so ist der eintretende Zähigkeitsabfall zu berücksichtigen.

Diese Ausführungen gelten für den rein statischen Belastungsfall. Tritt außerdem noch eine dynamische Beanspruchung hinzu, so reichen die genannten Eigenschaften zur Berechnung nicht aus.


Eigenschaften bei dynamischer Beanspruchung
Dynamische Beanspruchung liegt bei einer pulsierenden oder schlagenden Belastung vor, die ein- oder mehrachsig sein kann. Bauteile, die einer dauernden Schwingbelastung unterliegen, müssen über eine ausreichende Dauerschwingfestigkeit (oder kurz: Dauerfestigkeit) verfügen. Man bezeichnet als Dauerschwingbeanspruchung eine Beanspruchung, die sich zwischen einer Oberspannung s_o(s max.) und einer Unterspannung s_u (s min.) dauernd ändert. Sie kann durch eine gleichbleibende Mittelspannung s_m und eine überlagerte Wechselspannung mit dem Spannungsausschlag ± s_a dargestellt werden. Hieraus ergibt sich

Die Dauerfestigkeit ist jene Beanspruchung, die ein Teil noch gerade dauernd ertragen kann, ohne zu brechen. Sie ist wie folgt definiert:

Das Dauerfestigkeitsschaubild nach Smith (Bild 21) zeigt die Belastungsfälle bei Zug-Druck-Beanspruchung sowie das Schema einer Dauerbeanspruchung.

Die Kurven für s_o und s_u stellen die Grenzbelastung im elastischen Bereich für verschiedene Mittelspannungen dar. Ist s_m = O (d.h. pendelt der Spannungsausschlag um die O-Linie), so liegt eine reine Wechselbelastung vor, bei s_u = O spricht man von reiner Schwellbelastung.

Das Schaubild gilt für polierte, ungekerbte Proben. Außer der Zug-Druck-Wechselfestigkeit spricht man je nach Beanspruchungsart von Biege-Wechselfestigkeit und Verdreh-Wechselfestigkeit.

Für die Dauerfestigkeit ist eine Vielzahl von Einflussgrößen maßgebend, die sowohl werkstoffbedingt als auch gestaltabhängig sind. Sie können unterteilt werden in:

1. Metallurgische Einflüsse,
2. Technologische Einflüsse,
3. Mechanische Einflüsse,
4. Oberflächen- oder gestaltabhängige Einflüsse,
5. Einflüsse der Probeherstellung und Prüfbedingungen.

Metallurgische Einflüsse (wie Erschmelzungsart und Schmelzführung, Seigerungen und Reinheitsgrad) sind besonders bei Stählen mit hoher Festigkeit von Bedeutung. So zeigen vakuumerschmolzene Stähle vor allem in der Querrichtung eine starke Verbesserung der Dauerfestigkeit im Vergleich zu lufterschmolzenen Stählen.

Als technologische Einflüsse kommen Kaltverformung und Wärmebehandlung in Betracht. Besonders die Wärmebehandlung übt durch Art, Verteilung und Gleichmäßigkeit des Gefüges, durch Korngröße und Randentkohlung einen großen Einfluss auf die Dauerfestigkeit aus.

Die mechanischen Einflüsse (Zugfestigkeit, Streckgrenze und Eigenspannungen) sind neben der Kerbwirkung von entscheidender Bedeutung. Die Dauerfestigkeit ist proportional der Zugfestigkeit und dem Streckgrenzenverhältnis. Jedoch muss berücksichtigt werden, dass mit wachsender Festigkeit die Kerbempfindlichkeit zunimmt. Bild 22 zeigt den Einfluss der Festigkeit auf die Biege-Wechselfestigkeit in Abhängigkeit von der Oberflächenbeschaffenheit.

Es ist deutlich erkennbar, dass Angaben über die Dauerfestigkeit hauptsächlich einen vergleichenden Wert haben und man sollte zweckmäßigerweise nur Werte von polierten Proben angeben. Die Beziehung der Dauerfestigkeit zur Zugfestigkeit kann durch mehrere Näherungsformeln mit einem Streubereich von ± 20 % ausgedrückt werden.

Bild 21 (Zur Vergrößerung, bitte auf das jeweilige Bild klicken.) Schema einer Dauerbeanspruchung und eines Dauerfestigkeitsschaubildes (Nach Smith) für Zug- Druck- Beanspruchung mit Zug- Mittelspannungen
Bild 22 (Zur Vergrößerung, bitte auf das jeweilige Bild klicken.) Einfluss von Oberflächenbeschaffenheit, Kerben und Korrosion auf die Beigewechselfestigkeit von Stellen (Nach Arbeitsblatt. 1d. Fachausschusses f. Maschinenelemente b. VDI)

Diese Werte gelten für polierte und vergütete Proben. Eine Beziehung der Dauerfestigkeit sowie der Kerbschlagzähigkeit zur Bruchdehnung und Brucheinschnürung konnte nicht festgestellt werden.

Eigenspannungen verändern je nach Art, Verteilung und Größe die Dauerfestigkeit. Während sich Zugspannungen nachteilig auswirken, ergeben Druckspannungen eine Steigerung der Dauerfestigkeit. So können durch Oberflächenverfestigung (Drücken, Kugelstrahlen) Druckspannungen erzeugt werden. Auch durch Nitrieren, Einsatz- und Oberflächenhärtung werden Druckeigenspannungen erzielt, die zu einer Verbesserung der Dauerfestigkeit führen.

Besondere Bedeutung kommt der Oberflächenbeschaffenheit und der Gestaltung des Bauteils zu. Rauhe, narbige Oberflächen mit Bearbeitungsriefen beeinflussen infolge Kerbwirkung die Dauerfestigkeit ungünstig. Bei der Konstruktion von Bauteilen soll man scharfkantige Übergänge sowie spanungsungünstige Formkerben und Querschnittsänderungen vermeiden. Eine Verbesserung der Oberfläche kann durch Schleifen, Polieren, Strahlen usw. erreicht werden.

Die Dauerfestigkeit wird meist nach dem Wöhler-Verfahren ermittelt; wobei mehrere gleichartige Proben bei gleicher Mittel- oder Unterspannung in verschiedenen Belastungsstufen geprüft werden. Man ermittelt die Anzahl der Lastspiele bis zum Bruch. Hieraus ergibt sich im Bild 23 die sogenannte Wöhlerkurve.

Als Dauerfestigkeit bezeichnet man darin die Belastung, die nach 10⁷ Lastspielen nicht zum Bruch führt (gekennzeichnet durch den horizontalen Kurvenverlauf). Den Bereich bis zu dieser Lastspielzahl nennt man Zeitfestigkeitsbereich. In diesem hält die Probe einer erhöhten Belastung nur eine begrenzte Zeitdauer stand. Der Zeitfestigkeitsbereich wird durch die Schadenslinie in zwei Gebiete unterteilt:

Unterhalb kann eine Probe während einer begrenzten Zeit ohne Anriss überlastet werden, oberhalb (zwischen Schadenslinie und Wöhlerkurve) geht die Probe zwar nach Überbelastung während eines gewissen Zeitraumes nicht zu Bruch, hat aber bereits eine Schädigung in Form von kleinen Anrissen erfahren. Die Schadenslinie zeigt an, nach wie viel Lastspielen bei einer Belastung eine erste Schädigung der Probe auftritt, ohne dass zunächst ein Bruch entsteht. Wo also ein Bauteil turnusmäßig ausgewechselt werden kann, darf eine Belastung im Zeitfestigkeitsbereich unterhalb der Schadenslinie ausgenutzt werden (z.B. bei Förderseilen).

Zeitfestigkeit und Schadenslinie reichen nicht aus, um die Haltbarkeit von Bauteilen zu beurteilen, deren Beanspruchung während des Betriebes oft und stark in der Höhe wechselt. In solchen Fällen wird für die in Betracht kommenden Teile die Betriebsfestigkeit unter Belastungsbedingungen ermittelt, die der praktischen Beanspruchung nahe kommen.

Obwohl die Dauerfestigkeit für die konstruktive Berechnung von wesentlicher Bedeutung ist, sind genaue Daten für die einzelnen Stähle nicht bekannt. Man muss sich mit berechneten Anhaltswerten für polierte Proben begnügen. Der Grund hierfür liegt in der Vielzahl der Einflüsse, von denen die Dauerfestigkeit abhängig ist, speziell von der Form des Bauteils und seiner Oberflächen- beschaffenheit. Eine auf das Bauteil bezogene zahlenmäßige Aussage lässt sich nur durch Prüfung unter Betriebsbedingungen exakt ermitteln.

Bild 23 Wöhler-Linie und Schadenslinie für Versuche mit gleichbleibender Mittelspannung sm [ sD = sm ±  sA ] oder gleichbleibender Unterspannung su [ sD = ( su + sA ) ±  sA ]

Bild 24 Dauerbruch

Bild 25 Zweckmäßige Gestaltung Schnittübergängen