Beeinflussung der Schwingfestigkeit

Besonderen Einfluss auf die Bruchlastspielzahl hat die Qualität der Probenoberfläche. Mikrorisse an der Oberfläche von rauen Proben oder scharfe Kanten (z.B. bei Bohrungen) wirken wie Kerben an denen sehr hohe Spannungsspitzen entstehen. Dies gilt auch für korrodierte Stellen. All diese Oberflächenstellen begünstigen die Rissbildung und das vorzeitige Brechen der Probe (siehe auch Abschnitt Bruchmechanismus). Polierte Proben mit weichen Geometrieübergängen weisen hingegen höhere Schwingfestigkeitswerte auf. Deshalb sollten bei dynamisch beanspruchten Bauteilen Kerben, Kanten und scharfe Übergänge innerhalb der Bauteile vermieden werden.

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Abbildung: Kerbwirkung

Einfluss auf die Schwingfestigkeit hat auch die dynamische Vorbeanspruchung der Probe. Wurde eine Probe bereits im Vorfeld mit relativ geringer Spannungsamplitude dynamisch vorbeansprucht, so kann sich bei einer anschließenden Dauerschwingprüfung mit vergrößerter Spannungsamplitude durchaus herausstellen, dass die Probe nun höheren Lastspielzahlen standhält als eine neuartige Probe. Diese mag zunächst paradox erscheinen, liegt jedoch in der Verfestigung der Oberfläche und den hierdurch entstehenden Druckeigenspannungen begründet, die durch die mikroplastischen Verformungen während der dynamischen Beanspruchung hervorgerufen werden.

Grundsätzlich wirken sich Verfestigungseffekte und insbesondere Druckeigenspannungen an der Bauteiloberfläche positiv auf die Schwingfestigkeit aus. Unter Druckspannung wird die Rissbildung bzw. Rissausbreitung gehemmt, da die Druckkräfte sozusagen versuchen einen möglichen Riss zu schließen und nicht weiter aufzureißen. Das Einbringen von Druckeigenspannungen kann bspw. durch Kaltverfestigung, Randschichthärten oder Kugelstrahlen erfolgen. Beim Kugelstrahlen werden feine Partikel mit hoher Geschwindigkeit auf die Bauteiloberfläche geschossen, sodass dort plastische Verformungen zurückbleiben, die in den umliegenden elastischen Bereichen dann zu Druckeigenspannungen führen. Sehr häufig wird das Kugelstrahlen bspw. bei Federn angewendet. Besondere Bedeutung zur Steigerung der Schwingfestigkeit durch Einbringen von Druckeigenspannungen hat das Randschichthärten in Form von Nitrierhärten. Die sich an der Bauteiloberfläche zu Nitriden verbindenden Legierungselemente erzeugen durch ihre Volumenvergrößerung hohe Druckeigenspannungen.

Nicht nur die Oberfläche der Probe sondern auch die Probengröße selbst beeinflusst die Schwingfestigkeit. So weisen größere Proben statistisch bedingt mehr "Störstellen" auf als kleinere Proben. Bei identischem Werkstoff zeigen deshalb größere Proben in der Regel auch geringere Dauerfestigkeitswerte als kleinere Proben mit geometrisch ähnlichen Abmessungen. Dieses Phänomen zeigt sich vor allem bei Biege- und Torsionsbeanspruchungen, welche einen linearen Spannungsverlauf im Bauteil verursachen und so die größten Spannungswerte im Bereich der Oberfläche entstehen lassen. Die nebenstehende Abbildung zeigt den Spannungsverlauf zweier auf Biegung beanspruchter Proben. Bei identischen Biegespannungen umfasst derselbe Spannungsbereich bei der größeren Probe auch einen größeren Oberflächenbereich. Gerade bei diesen Beanspruchungsfällen kommt deshalb dem (vergrößerten oder verkleinerten) Randbereich eine besondere Bedeutung zu und der Einfluss der Bauteilgröße ist entsprechend groß. Bei dynamischen Zug- und Druckbeanspruchungen ist der Größeneinfluss hingegen eher weniger stark ausgeprägt.

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Abbildung: Einfluss der Probengröße