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Werkstofflabor und Prüfdatenauswertung – Ermüdungsprüfungen im Grundprinzip erklären

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Werkstofflabor und Prüfdatenauswertung – Ermüdungsprüfungen im Grundprinzip erklären

Kurzbeschreibung: Lastwechsel und Lebensdauerstreuung bei metallischen Werkstoffen verstehen, Prüfdiagramme lesen und Versuchsdaten sicher auswerten.

Zielgruppe: Auszubildende in der Werkstoffprüfung, Metalltechnik, Industriemechanik und verwandten technischen Berufen.

Lernzeit: Etwa 60–75 Minuten einschließlich Übungsaufgaben.

Lernziele: Du kannst Lastwechsel erklären, einen Wöhlerversuch beschreiben, eine Wöhlerlinie lesen und unterschiedliche Lebensdauern fachlich einordnen.

Lernweg: Vier kurze Lerneinheiten, ein beruflicher Ausbildungsfall, gestufte Hilfen, interaktive Übungen und eine praxisnahe Lernkontrolle.

Sicherheitsregel: Du arbeitest hier ausschließlich mit Bildern, Videos und Modellprüfdaten. Reale Ermüdungsversuche dürfen nur an geeigneten Prüfmaschinen im Betrieb durch befugte, unterwiesene Personen unter Fachaufsicht durchgeführt werden.

Einleitung

Ein Metallbauteil kann durch wiederholte Belastung brechen, obwohl eine einzelne Belastung noch keinen Bruch verursachen würde. Dieses Verhalten heißt Materialermüdung.

Im Werkstofflabor wird untersucht, wie viele Lastspiele eine Probe bei einer festgelegten Beanspruchung bis zu einem definierten Versagen erträgt.

Besonders wichtig: Gleichartige Proben können unter vergleichbaren Prüfbedingungen unterschiedliche Lebensdauern erreichen.

Bildauftrag: Betrachte den Ermüdungsbruch einer Schraube. Warum genügt eine einzige Bruchfläche noch nicht, um die gesamte Schadensursache sicher festzustellen?

Bildquelle: Wang Hui-li und Qin Si-feng, Wikimedia Commons, CC BY 4.0.

Lerneinheit 1: Lastwechsel verstehen

Dauer: 7 Minuten

Sehen: Eine Spannung verändert sich

Grafik: Zeitlicher Verlauf einer vollständig wechselnden Spannung. Quelle: Yapparina, Wikimedia Commons, CC BY-SA 3.0.

Bei einer zyklischen Beanspruchung verändert sich die Spannung wiederholt. Ein vollständiges Schwingspiel führt vom Ausgangszustand über die Extremwerte wieder zum entsprechenden Ausgangszustand.

Wichtige Größen:

Zeichen	Bedeutung
σ_max	Größte Spannung
σ_min	Kleinste Spannung
σ_a	Spannungsamplitude
σ_m	Mittelspannung
R	Spannungsverhältnis
N	Schwingspielzahl

Grundformeln:

Spannungsamplitude: σ_a = (σ_max − σ_min) / 2

Mittelspannung: σ_m = (σ_max + σ_min) / 2

Spannungsverhältnis: R = σ_min / σ_max, sofern σ_max nicht null ist.

Modellbeispiel:

σ_max = +120 MPa und σ_min = −120 MPa.

Damit gilt: σ_a = 120 MPa, σ_m = 0 MPa und R = −1.

Das ist eine vollständig wechselnde Zug-Druck-Beanspruchung.

Beobachten: Konstante und veränderliche Belastungen

Grafik: Beispiele zyklischer Beanspruchungen. Quelle: Chrismoneyron, Wikimedia Commons, CC BY-SA 4.0.

Bei einem Wöhlerversuch mit konstanter Amplitude bleibt die vorgegebene Lastamplitude während eines Versuchslaufs gleich. Im realen Betrieb können Belastungen dagegen unregelmäßig auftreten.

Mini-Aufgabe: Beschreibe den Unterschied zwischen einer gleichmäßigen Prüfschwingung und einer wechselnden Betriebsbelastung.

Feedback: Richtig ist, dass eine konstante Prüfamplitude den Vergleich verschiedener Proben erleichtert. Ein unregelmäßiges Betriebslastkollektiv benötigt eine weitergehende Auswertung.

Lerneinheit 2: So funktioniert eine Ermüdungsprüfung

Dauer: 8 Minuten

Sehen: Prüfmaschine und Prüfkörper

Historisches Prüfsystem mit automatischen Abschalteinrichtungen. Quelle: National Institute of Standards and Technology Digital Collections, Gaithersburg, MD 20899; in den USA gemeinfrei.

Im Versuch wird eine gekennzeichnete Probe wiederholt belastet. Eine geeignete Prüfmaschine erfasst die Lastspiele und überwacht das festgelegte Abbruchkriterium.

Der grundsätzliche Ablauf:

Prüfauftrag → Probe zuordnen → Prüfbedingungen kontrollieren → zyklisch belasten → Versagen oder Prüfstopp dokumentieren → Daten auswerten.

Je nach Versuch werden Zug-Druck-, Biege- oder Torsionsbelastungen verwendet.

Prozessvideo: Schwingfestigkeitsprüfung

Lehrfilm „Schwingfestigkeitsprüfung“, Prof. Rainer Schwab, Hochschule Karlsruhe. Der Film zeigt Prüfprinzip, Proben, Prüfmaschine und Wöhlerkurve. Er dient ausschließlich der Beobachtung und Erklärung.

Beobachtungsauftrag: Finde im Video die Probe, die wiederholte Belastung und die Darstellung der Prüfergebnisse. Notiere zu jedem Punkt einen Satz.

Ein Blick auf spezielle Prüftechnik

Ultraschall-Ermüdungsprüfsystem für Untersuchungen sehr hoher Schwingspielzahlen. Quelle: Invernizzi, Montagnoli und Carpinteri, Applied Sciences 2021, CC BY 4.0.

Das Bild zeigt ein spezielles Ermüdungsprüfsystem. Nicht jede Ermüdungsprüfung verwendet den gleichen Maschinenaufbau oder die gleiche Frequenz.

Merke: Prüfmethode, Material, Probengeometrie, Spannungsverhältnis, Temperatur, Oberflächenzustand und Abbruchkriterium gehören zur Versuchsdokumentation.

Versuchsergebnis: Bruch oder Durchläufer

Bruch: Die Probe erreicht das festgelegte Versagenskriterium bei einer bestimmten Schwingspielzahl.

Durchläufer: Die Probe erreicht die festgelegte Grenzschwingspielzahl ohne das definierte Versagen.

Ein Durchläufer bei einer Million Lastspielen bedeutet nicht, dass die Probe unbegrenzt lange hält.

Lerneinheit 3: Die Wöhlerlinie lesen

Dauer: 8 Minuten

Sehen: Beanspruchung und Lebensdauer

Schematische Wöhlerlinie mit Kurzzeit-, Zeit- und Dauerfestigkeitsbereich. Quelle: Sfischer, Wikimedia Commons, CC BY-SA 3.0.

Im Wöhlerdiagramm steht auf der waagerechten Achse die Schwingspielzahl N, gewöhnlich in logarithmischer Darstellung. Auf der senkrechten Achse steht die Spannungsamplitude beziehungsweise eine entsprechend definierte Beanspruchungsgröße.

Bei vergleichbaren Versuchsbedingungen gilt in einem typischen Zeitfestigkeitsbereich:

Höhere Spannungsamplitude → meist weniger Schwingspiele bis zum Versagen.

Die Darstellung unterscheidet schematisch Kurzzeitfestigkeit, Zeitfestigkeit und gegebenenfalls einen Dauerfestigkeitsbereich. Nicht jeder Werkstoff besitzt einen waagerechten Dauerfestigkeitsbereich.

Sehen: Echte Versuchsergebnisse

Wöhlerdiagramm für Proben aus AISI-4130-Stahl unter vollständig wechselnder Beanspruchung. Quelle: Kushagrs, Wikimedia Commons, CC BY-SA 4.0.

Bildauftrag: Zeige die Achsen und beschreibe den allgemeinen Verlauf. Die Abbildung ist ein Forschungsbeispiel und kein Diagramm der folgenden Modellaufgabe.

Warum streuen Lebensdauern?

Auch scheinbar gleiche Proben unterscheiden sich beispielsweise durch mikroskopische Eigenschaften, Oberflächenzustand und kleine Fertigungsabweichungen. Hinzu kommen Einflüsse aus der Prüfung.

Deshalb wird Schwingfestigkeit mit mehreren Proben und geeigneten statistischen Methoden beurteilt. Einzelwerte sind kein ausreichender Lebensdauernachweis.

Merksatz: Eine Wöhlerlinie beschreibt den Zusammenhang zwischen Beanspruchung und Lebensdauer unter festgelegten Bedingungen. Sie ist keine Garantie für eine einzelne Probe.

Lerneinheit 4: Prüfdatenauswertung im Ausbildungsfall

Dauer: 15 Minuten

Beruflicher Fall: Haltewinkel einer Förderanlage

Dein Ausbildungsbetrieb untersucht modellhaft Stahlproben für einen schwingend belasteten Haltewinkel einer Förderanlage.

Du erhältst Daten aus einer fiktiven, didaktisch vereinfachten Versuchsreihe mit vollständig wechselnder Zug-Druck-Beanspruchung.

Alle Proben werden im Modell mit gleichem Werkstoff, gleicher Geometrie und vergleichbarem Oberflächenzustand betrachtet. Das Spannungsverhältnis beträgt R = −1.

Prüfauftrag: Vergleiche die Lastspielzahlen bis zum Bruch, beschreibe die Streuung und erstelle eine vorsichtige fachliche Aussage.

Modell-Prüfprotokoll

Probe	Spannungsamplitude	Schwingspiele N	Ergebnis
A1	200 MPa	75.000	Bruch
A2	200 MPa	90.000	Bruch
A3	200 MPa	120.000	Bruch
B1	160 MPa	290.000	Bruch
B2	160 MPa	400.000	Bruch
B3	160 MPa	510.000	Bruch
C1	120 MPa	1.000.000	Durchläufer

Wichtig: Diese Zahlen sind erfundene Modelldaten, keine Kennwerte eines zugelassenen Werkstoffs und keine Grundlage für eine reale Bauteilfreigabe.

Basisaufgabe: Protokoll lesen

Auftrag: Nenne die Probe mit der kürzesten dokumentierten Bruchlebensdauer. Erkläre außerdem, warum für C1 keine Bruchschwingspielzahl vorliegt.

Hilfe 1: Vergleiche zunächst nur die Zeilen mit dem Ergebnis „Bruch“.

Hilfe 2: Unterscheide zwischen einer gemessenen Bruchschwingspielzahl und einem Prüfende ohne Bruch.

Lösung und begründetes Feedback: A1 bricht nach 75.000 Schwingspielen. C1 ist ein Durchläufer bis 1.000.000 Schwingspiele. Du darfst für C1 keinen Bruchwert von 1.000.000 eintragen, weil zu diesem Zeitpunkt gerade kein definiertes Versagen festgestellt wurde.

Anwendungsaufgabe: Lebensdauer vergleichen

Auftrag: Ermittle bei 200 MPa und 160 MPa jeweils den Median der drei Bruchschwingspielzahlen. Vergleiche beide Werte.

Hilfe 1: Bei drei sortierten Werten ist der mittlere Wert der Median.

Hilfe 2: Teile den größeren Median durch den kleineren.

Lösung und begründetes Feedback: Bei 200 MPa beträgt der Median 90.000 Schwingspiele; bei 160 MPa beträgt er 400.000 Schwingspiele. Das Verhältnis liegt bei ungefähr 4,44. Die kleinere Amplitude führt in dieser Modellreihe zu einer deutlich höheren mittleren Position der Bruchlebensdauern. Drei Versuche je Niveau genügen jedoch nicht für eine belastbare statistische Lebensdauerkennlinie.

Transferaufgabe: Darf das Bauteil freigegeben werden?

Auftrag: Eine Kollegin sagt: „Bei 160 MPa liegt der Median bei 400.000 Lastspielen. Deshalb hält jeder Haltewinkel garantiert 400.000 Lastspiele.“ Beurteile diese Aussage.

Hilfe 1: Prüfe, ob alle B-Proben den Median erreicht haben.

Hilfe 2: Vergleiche Werkstoffprobe, reales Bauteil und die Anzahl der untersuchten Proben.

Hilfe 3: Denke an Streuung, Sicherheit, Betriebslasten und eine ausreichende statistische Datenbasis.

Lösung und begründetes Feedback: Die Aussage ist falsch. B1 brach bereits nach 290.000 Schwingspielen. Außerdem können beim realen Haltewinkel Kerben, Spannungsmittelwerte und wechselnde Betriebslasten auftreten. Eine Freigabe erfordert die geeignete Bauteilbewertung, ausreichende Prüf- und Berechnungsgrundlagen sowie eine Entscheidung der fachlich zuständigen Personen.

Prüfergebnisse visualisieren

Erstelle mit einer Tabellenkalkulation ein XY-Punktdiagramm. Verwende N auf der waagerechten Achse und σ_a auf der senkrechten Achse. Stelle die waagerechte Achse logarithmisch dar.

Kennzeichne alle sechs Bruchergebnisse als Punkte. Markiere C1 deutlich gesondert als Durchläufer mit dokumentierter Prüfgrenze.

Feedback: Gut ist ein Diagramm nur, wenn die Achsen einschließlich Einheiten bezeichnet sind und der Durchläufer nicht wie ein gewöhnlicher Bruchpunkt behandelt wird. Verbinde die wenigen Modellpunkte nicht mit einer scheinbar normgerechten oder sicheren Lebensdauerkurve.

Bruchflächen verstehen

Schwingungsbruch an einem Stutzen. Photo by CEphoto, Uwe Aranas. Wikimedia Commons, CC BY-SA 3.0.

Bei Ermüdung können Risse unter wiederholter Beanspruchung entstehen und wachsen. Am Ende kann der verbleibende tragende Querschnitt plötzlich versagen.

Fotoauftrag: Beschreibe erkennbare Unterschiede der Bruchflächenbereiche, ohne aus dem Foto allein sichere Aussagen zu Lastniveau, Werkstoff oder Schadensursache abzuleiten.

Feedback: Eine Bruchflächenaufnahme liefert Hinweise. Für die zuverlässige Schadensanalyse sind weitere Angaben, geeignete Untersuchungsmethoden und fachliche Bewertung erforderlich.

Arbeitssicherheit, Gefahrstoffe und Entsorgung

Sicherheit an der Prüfmaschine

Eine Ermüdungsprüfmaschine kann bewegte Teile, hohe Kräfte, Schwingungen und beim Probenbruch weggeschleuderte Bruchstücke verursachen.

Prüfmaschinen dürfen daher nur nach betrieblicher Gefährdungsbeurteilung, Unterweisung und mit den vorgesehenen Schutzeinrichtungen betrieben werden. Schutzabdeckungen werden nicht entfernt oder überbrückt.

Für diesen Lernkurs gilt: Keine selbstgebauten Ermüdungsversuche, kein absichtliches Brechen von Metallteilen und keine eigenständige Bedienung realer Prüfmaschinen.

Gefahrstoffe und Metallstaub

Die hier gezeigte reine Datenauswertung benötigt keine Chemikalien. Im Werkstofflabor können jedoch bei Probenvorbereitung, Reinigung oder Bruchflächenuntersuchungen Kühlschmierstoffe, Reinigungsmittel und Metallstäube auftreten.

Vor entsprechenden Tätigkeiten sind Stoffinformationen, Sicherheitsdatenblätter, Betriebsanweisungen und die betriebliche Gefährdungsbeurteilung maßgeblich. Die TRGS 400 und TRGS 500 beschreiben die grundlegende Vorgehensweise und Schutzmaßnahmen.

Feine Metallstäube können gesundheitsschädlich sein; bei geeigneten brennbaren Stäuben sind auch Brand- und Explosionsrisiken zu berücksichtigen.

Staub soll möglichst an der Entstehungsstelle mit dafür geeigneter Technik erfasst werden. Staubablagerungen dürfen nicht mit Druckluft aufgewirbelt werden. Die Reinigung richtet sich nach Material, Gefährdungsbeurteilung und Betriebsanweisung.

Entsorgung und sichere Alternativen

Bruchproben, Metallspäne, Metallstaub, gebrauchte Reinigungstücher und mögliche Gefahrstoffreste werden nicht pauschal gemeinsam entsorgt. Der Betrieb legt entsprechend Stoffart, Verunreinigung und Entsorgungsvorgaben geeignete Sammel- und Entsorgungswege fest.

Unbekannte oder gefährliche Rückstände werden nicht eigenmächtig umgefüllt, gemischt oder behandelt.

Sichere Alternative für Auszubildende: Analysiere vorgegebene Prüfprotokolle, digitale Messkurven und vorhandene Fotos. Reale chemische Prozesse oder Probenpräparationen sind ausschließlich in dafür geeigneten Betrieben mit Fachaufsicht zulässig.

Fachquellen: TRGS 400, TRGS 500, DGUV: Staubabsaugung und DGUV: Staubexplosionen vorbeugen.

Praxis-Transfer: Ermüdungsprüfung großer Bauteile

Fraunhofer IWES: SmarTestBlade – Segmented elliptical fatigue testing for future rotor blades. Fachliches Forschungsvideo zur realitätsnahen Ermüdungsprüfung von Rotorblättern.

Transferfrage: Warum kann die Prüfung einer kleinen Werkstoffprobe andere Informationen liefern als eine Prüfung des vollständigen Bauteils?

Feedback: Die Werkstoffprobe hilft beim Ermitteln grundlegender Ermüdungskennwerte. Eine Bauteilprüfung kann zusätzliche Einflüsse der Geometrie, Verbindungen, Belastungsverteilung und realitätsnäherer Randbedingungen erfassen.

Interaktive Aufgaben

Quiz: Teste Dein Wissen

Was bedeutet Materialermüdung? (Schädigung durch wiederholte Beanspruchung) (!Ausschließlich chemische Auflösung eines Metalls) (!Nur eine einmalige statische Überlastung) (!Die absichtliche Erwärmung des Metalls)

Welches Spannungsverhältnis kennzeichnet einen vollständig wechselnden Zug-Druck-Versuch? (R gleich minus eins) (!R gleich plus eins) (!R gleich null) (!R gleich plus zwei)

Wie groß ist die Spannungsamplitude bei einer Spannung von plus 120 MPa bis minus 120 MPa? (120 MPa) (!240 MPa) (!60 MPa) (!0 MPa)

Welche Größe wird im Wöhlerdiagramm typischerweise auf der waagerechten Achse dargestellt? (Die Schwingspielzahl) (!Die Raumtemperatur) (!Die Masse der Prüfmaschine) (!Die Anzahl der Mitarbeitenden)

Was zeigt die senkrechte Achse eines üblichen Wöhlerdiagramms? (Die Spannungsamplitude) (!Das Prüfdatum) (!Die Probennummer) (!Die Entsorgungsmenge)

Welche Aussage trifft bei vergleichbaren Bedingungen im typischen Zeitfestigkeitsbereich zu? (Höhere Spannungsamplituden führen meist zu kürzeren Bruchlebensdauern) (!Höhere Spannungsamplituden verhindern jeden Ermüdungsbruch) (!Die Lebensdauer ist unabhängig von der Beanspruchung) (!Alle Proben brechen bei derselben Schwingspielzahl)

Was bedeutet Durchläufer bei einer Ermüdungsprüfung? (Die Probe erreicht die vorgegebene Prüfgrenze ohne definiertes Versagen) (!Die Probe bricht vor Beginn der Prüfung) (!Die Prüfmaschine läuft ohne eingesetzte Probe) (!Die Probe besitzt eine unbegrenzte nachgewiesene Lebensdauer)

Warum werden mehrere Proben bei gleicher Spannungsamplitude geprüft? (Um die Streuung der Versuchsergebnisse untersuchen zu können) (!Damit unterschiedliche Werkstoffe automatisch gleich werden) (!Damit das Versagen grundsätzlich ausgeschlossen wird) (!Um jede statistische Auswertung überflüssig zu machen)

Was darf aus einem einzelnen Durchläufer bis zu einer Million Schwingspielen geschlossen werden? (Die Probe versagte bis zur festgelegten Prüfgrenze nicht) (!Das Bauteil hält unter allen Lasten unbegrenzt) (!Alle Proben erreichen exakt dieselbe Lebensdauer) (!Ein Ermüdungsriss ist für alle Zeiten ausgeschlossen)

Welche Vorgehensweise ist für diesen Ausbildungskurs sicher? (Modellprüfdaten auswerten und reale Versuche nur unter betrieblicher Fachaufsicht beobachten) (!Eine ungeschützte Prüfmaschine selbst bedienen) (!Metallstaub mit Druckluft verteilen) (!Bruchversuche mit selbstgebauten Maschinen durchführen)

Memory

Ordne die Begriffe ihren fachlich passenden Erklärungen zu.

Spannungsamplitude	Halbe Differenz zwischen oberem und unterem Spannungswert
Mittelspannung	Durchschnitt der beiden Spannungsextremwerte
Schwingspielzahl	Anzahl gezählter vollständiger Belastungszyklen
Wöhlerlinie	Zusammenhang zwischen Beanspruchung und Lebensdauer
Durchläufer	Prüfgrenze ohne definiertes Versagen erreicht
Lebensdauerstreuung	Unterschiedliche Bruchspielzahlen unter vergleichbaren Bedingungen
Rissbeginn	Entstehung einer örtlich begrenzten Werkstofftrennung

Drag and Drop

Ordne jedem Begriff seine Bedeutung im Prüfablauf zu.

Ordne die richtigen Begriffe zu.	Bedeutung im Werkstofflabor
Probenkennzeichnung	Eindeutige Zuordnung eines Versuchsergebnisses
Prüfvorgabe	Festgelegte Last und festgelegtes Abbruchkriterium
Schutzeinrichtung	Verringerung von Gefährdungen durch bewegte Teile und Bruchstücke
Lastzyklus	Wiederkehrender zeitlicher Beanspruchungsverlauf
Versuchsprotokoll	Dokumentation von Bedingungen und Messergebnissen
Prüfdatenauswertung	Vergleich und fachliche Einordnung der Ergebnisse

Kreuzworträtsel

Woehlerlinie	Wie heißt die Kurve zwischen Beanspruchung und erreichter Schwingspielzahl?
Schwingspiel	Wie heißt ein vollständiger wiederkehrender Belastungszyklus?
Pruefmaschine	Wie heißt die technische Anlage zur Durchführung einer Werkstoffprüfung?
Streuung	Wie nennt man Unterschiede zwischen vergleichbaren Versuchsergebnissen?
Durchlaeufer	Wie heißt eine Probe ohne definiertes Versagen bei Erreichen der Prüfgrenze?
Riss	Wie heißt eine örtliche Trennung im Werkstoff, die sich unter Last ausbreiten kann?

LearningApps

Suche ergänzende interaktive Übungen zum Thema.

Lückentext

Wiederholte Belastungen können bei metallischen Werkstoffen zu

führen.

Ein vollständiger wiederkehrender Belastungszyklus heißt

.

Die halbe Differenz zwischen größter und kleinster Spannung heißt

.

Der Mittelwert aus größter und kleinster Spannung heißt

.

Ein vollständig wechselnder Zug-Druck-Versuch besitzt das Spannungsverhältnis

.

Zur Ermittlung der Schwingfestigkeit verwendet man den

.

Der Zusammenhang zwischen Spannungsamplitude und Bruchspielzahl wird durch die

dargestellt.

Unterschiedliche Bruchspielzahlen bei vergleichbaren Prüfbedingungen bezeichnet man als

.

Eine Probe ohne definiertes Versagen beim Erreichen der Prüfgrenze nennt man

.

Eine statistische Beurteilung benötigt normalerweise mehrere

.

Eine einzelne Versuchsmessung ist keine ausreichende Grundlage für eine sichere

.

Staub muss mit geeigneten Verfahren möglichst an seiner

erfasst werden.

Offene Aufgaben

Bearbeite die Aufgaben mit Bildern, vorhandenen Prüfprotokollen, Tabellenkalkulation oder Recherche. Führe keine gefährlichen Eigenversuche durch.

Leicht

Lastwechsel: Zeichne einen einfachen Spannungs-Zeit-Verlauf und markiere obere Spannung, untere Spannung und eine vollständige Schwingung.
Prüfmaschine: Beschrifte auf einem bereitgestellten Prüfmaschinenbild die sichtbaren Hauptkomponenten und beschreibe ihre allgemeine Funktion.
Prüfprotokoll: Erstelle eine Vorlage mit Probennummer, Werkstoff, Beanspruchung, Schwingspielzahl und Versuchsergebnis.
Arbeitssicherheit: Gestalte ein digitales Merkblatt zu Schutzeinrichtungen, Unterweisung und sicherer Beobachtung von Laborversuchen.

Standard

Prüfdatenauswertung: Übertrage die sieben Modelldatensätze in eine Tabellenkalkulation und prüfe die korrekte Zuordnung.
Wöhlerdiagramm: Stelle alle Bruchwerte grafisch dar und kennzeichne den Durchläufer gesondert.
Statistik: Berechne die beiden Mediane und die jeweilige Spannweite der Bruchspielzahlen. Erkläre, warum die Spannweite nur ein einfaches Streuungsmaß ist.
Bruchflächenanalyse: Vergleiche zwei bereitgestellte Bruchflächenbilder und formuliere Beobachtungen und offene Fragen getrennt.

Schwer

Qualitätssicherung: Entwickle eine Checkliste, mit der unterschiedliche Prüfergebnisse auf Vollständigkeit und Vergleichbarkeit überprüft werden können.
Lebensdauerprognose: Erstelle einen kurzen Fachbericht darüber, weshalb die kleine Modellreihe keine garantierte Lebensdauer liefert.
Betriebsfestigkeit: Untersuche an einem theoretischen Förderanlagenbauteil, warum wechselnde Betriebslasten nicht ohne Weiteres mit konstanter Prüfamplitude gleichgesetzt werden dürfen.
Gefährdungsbeurteilung: Analysiere anhand offizieller Arbeitsschutzquellen ein fiktives Labor mit Metallstaub und Reinigungsmitteln. Beschreibe, welche Informationen vor Festlegung von Schutz- und Entsorgungsmaßnahmen benötigt werden.

Gestufte Hilfen und Feedback zur Projektarbeit

Niveau	Hilfe	Begründetes Feedback
Basis	Vergleiche die Begriffe jeweils mit einem konkreten Tabellenwert oder Bild.	Eine richtige Bezeichnung reicht erst dann aus, wenn Du ihre Bedeutung am Beispiel erklären kannst.
Anwendung	Kontrolliere Einheiten, sortiere Zahlen vor der Medianberechnung und trenne Brüche von Durchläufern.	Ein rechnerisch richtiges Ergebnis ist nur fachlich richtig, wenn die verwendeten Daten und ihre Bedeutung stimmen.
Transfer	Frage, welche Prüfbedingungen bekannt sind, was die Daten nicht zeigen und wer eine technische Entscheidung verantwortet.	Gute technische Entscheidungen berücksichtigen Messunsicherheit, Streuung, Bauteilbedingungen und die Grenzen der vorliegenden Nachweise.

Lernkontrolle

Diese Aufgaben überprüfen Dein Verständnis und Deine Fähigkeit, Zusammenhänge auf neue Situationen zu übertragen.

Ermüdungsfestigkeit: Zwei gleichartige Proben werden unter verschiedenen Spannungsamplituden geprüft. Begründe, weshalb sich unterschiedliche Bruchspielzahlen ergeben können und warum ein einzelnes Ergebnis nicht ausreicht.
Statistische Auswertung: Bei gleicher Spannungsamplitude streuen fünf Bruchspielzahlen erheblich. Entwickle einen Plan, wie Du die Ergebnisse dokumentierst und welche zusätzlichen Informationen Du für eine belastbare Beurteilung benötigst.
Wöhlerversuch: Ein Versuch endet ohne Bruch bei der definierten Grenzschwingspielzahl. Erkläre die richtige Darstellung und weshalb daraus keine unbegrenzte Lebensdauer folgt.
Bauteilsicherheit: Übertrage die Aussagen einer idealisierten Werkstoffprobe auf einen gekerbten Haltewinkel. Erläutere mindestens drei Gründe, weshalb die Ergebnisse nicht unverändert übernommen werden dürfen.
Prüfqualität: Zwei Labore liefern unterschiedliche Ergebnisse. Entwickle eine systematische Prüfung möglicher Einflüsse durch Proben, Belastungsbedingungen, Messung und Dokumentation.
Arbeitsschutz: In einem Labor treten Metallstaub und unbekannte Reinigungsrückstände auf. Begründe, warum Du ohne betriebliche Gefährdungsbeurteilung keine Reinigungs- oder Entsorgungsmaßnahme eigenständig festlegst.

Lernnachweis

Für einen erfolgreichen Lernnachweis erstellst Du einen kurzen digitalen Labor-Auswertungsbericht auf Grundlage des Modellfalls.

Der Bericht enthält:

Grundbegriffe: Fachlich korrekte Erklärung von Schwingspiel, Spannungsamplitude, Mittelspannung, Ermüdungsbruch und Durchläufer.
Prüfablauf: Ein übersichtliches Ablaufdiagramm einer Ermüdungsprüfung einschließlich Sicherheitskontrolle und Dokumentation.
Datenqualität: Eine vollständige Prüftabelle mit eindeutigen Einheiten und Ergebniskennzeichnung.
Diagrammauswertung: Ein lesbares Spannungs-Lebensdauer-Diagramm mit korrekt dargestellten Bruchergebnissen und gesondertem Durchläufer.
Statistik: Eine nachvollziehbare Medianberechnung und eine Erklärung der beobachteten Streuung.
Transferleistung: Eine begründete Aussage über die Grenzen der Modellversuche für eine reale Bauteilfreigabe.
Arbeitsschutz: Ein kurzer Sicherheitsvermerk zu Prüfmaschinen, Metallstaub, möglichen Gefahrstoffen und betrieblicher Entsorgung.

Bewertungsvorschlag: Fachverständnis 25 %, korrekte Datenauswertung 35 %, Interpretation und Transfer 25 %, Arbeitssicherheit und Dokumentation 15 %.

OERs zum Thema

Wikipedia: Wöhlerversuch

Fachlich geprüfte Grundlagen und Normen

DIN 50100:2022-12: Schwingfestigkeitsversuch – Durchführung und Auswertung zyklischer Versuche mit konstanter Lastamplitude an metallischen Werkstoffproben und Bauteilen. Die Norm ist urheberrechtlich geschützt; die öffentlich zugängliche Beschreibung wurde zur fachlichen Orientierung genutzt.
Karlsruher Institut für Technologie – Schwingfestigkeit: Forschung und Prüfverfahren bei zyklischer Beanspruchung.
Hochschule Karlsruhe – Angewandte Werkstoffwissenschaften: Fachlicher Hochschulkontext zum eingebetteten Lehrfilm.
Fraunhofer IWES – Fachvideos: Forschungsmedien zur Bauteilprüfung von Rotorblättern.
Bundesanstalt für Arbeitsschutz und Arbeitsmedizin: Technische Regeln für Gefahrstoffe.
Deutsche Gesetzliche Unfallversicherung: Grundsätze zur wirksamen Stauberfassung.
Wöhlerversuch, Materialermüdung, Schwingfestigkeit: Ergänzende Wikipedia-Artikel zur Vertiefung.

Wikimedia Commons: Medienrechte und Bildnachweise

Die folgenden Bilddateien wurden anhand ihrer Wikimedia-Commons-Dateiseiten ausgewählt. Lizenzbedingungen, Urheberangaben und Weitergabepflichten sind bei jeder Nachnutzung zu beachten.

Bilddatei	Urheber oder Quelle	Lizenz
Bolt-fatigue-fracture.jpg	Wang Hui-li und Qin Si-feng	CC BY 4.0
Typical reversed fatigue stress cycles.png	Yapparina	CC BY-SA 3.0
Cyclic loads.png	Chrismoneyron	CC BY-SA 4.0
MetalFatigue 001.jpg	National Institute of Standards and Technology	Public Domain in den USA; Quellenangabe beachten
Applsci-11-04272-g001.png	Invernizzi, Montagnoli und Carpinteri	CC BY 4.0
Woehlerlinie.png	Sfischer	CC BY-SA 3.0
Experimental SN curve	Kushagrs	CC BY-SA 4.0
Fatigue-fracture-of-a-PI-nozzle-01.jpg	Photo by CEphoto, Uwe Aranas	CC BY-SA 3.0

Videorechte: Die beiden eingebetteten Fachvideos stammen aus Hochschul- beziehungsweise Forschungszusammenhängen. Ihre Einbettung ist nicht mit einer freien Bearbeitungs- oder Weiterverbreitungslizenz gleichzusetzen. Rechte und Abrufbarkeit richten sich nach den jeweiligen Videoanbietern.

Quellenstand: Oktober 2026. Vor einer betrieblichen Verwendung sind geltende Regelwerke, Betriebsanweisungen und die aktuellen Medienbedingungen zu prüfen.