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Was sind Eigenspannungen?

Eigenspannungen sind Spannungen, die in einem Objekt (insbesondere in einem geschweißten Bauteil) auch ohne äußere Belastung oder Temperaturgradienten verbleiben. In einigen Fällen führen Eigenspannungen zu erheblichem plastischen Verzug, der zur Wölbung und Verformung eines Objekts führt. In anderen Fällen beeinflussen Eigenspannungen die Bruchanfälligkeit und die Materialermüdung.

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Was verursacht Eigenspannungen?

Eigenspannungen entstehen, wenn ein Objekt – insbesondere ein geschweißtes Bauteil – über seine Elastizitätsgrenze hinaus belastet wird, was zu einer plastischen Verformung führt. Es gibt drei Hauptgründe für die Entstehung dieser Spannungen:

 

Thermische Beanspruchung

Wenn ein Objekt von einer hohen Temperatur abgekühlt wird (z.B. nach dem Schweißen), gibt es oft einen großen Unterschied in der Abkühlgeschwindigkeit im gesamten Körper. Der Unterschied in den Abkühlgeschwindigkeiten an der Oberfläche und im Inneren des Objekts führt zu lokalen Variationen der thermischen Kontraktion. Die unterschiedlichen thermischen Kontraktionen entwickeln ungleichmäßige Spannungen. Während des Abkühlens kühlt die Oberfläche schneller ab, wobei das erwärmte Material im Zentrum komprimiert wird. Wenn das Material im Zentrum versucht, abzukühlen, wird es durch das kühlere Außenmaterial zusammengepresst. Folglich weist der innere Teil eine Zugeigenspannung und der äußere Teil des Bauteils eine Druckeigenspannung auf.

 

Phasenumwandlungen

Wenn ein Werkstoff eine Phasenumwandlung durchläuft, entsteht eine Volumendifferenz zwischen der neu gebildeten Phase und dem umgebenden Material, das noch keine Phasenumwandlung durchlaufen hat. Die Volumendifferenz verursacht eine Ausdehnung oder Kontraktion des Materials, was zu Eigenspannungen führt.

 

Mechanische Bearbeitung

Eigenspannungen treten auch dann auf, wenn die plastische Verformung über den Querschnitt eines Objekts, das einem Herstellungsverfahren wie Biegen, Ziehen, Extrudieren und Walzen unterzogen wird, ungleichmäßig ist. Wenn ein Material sich verformt, ist ein Teil elastisch und ein anderes plastisch. Sobald die Belastung entfernt wird, versucht das Material, den elastischen Teil der Verformung zurückzugewinnen, wird aber aufgrund des angrenzenden plastisch verformten Materials an der vollständigen Rückgewinnung gehindert.

 

Welche Auswirkungen haben Eigenspannungen?

Je nach Anwendung können die Eigenspannungen positive oder negative Auswirkungen haben. Beispielsweise werden Eigenspannungen in den Konstruktionen bestimmter Anwendungen zur Erzielung positiver Effekte eingesetzt. Diese können z.B. durch eine oberflächliche Laserstrahlmaterialbearbeitung erreicht werden, die der Oberfläche eines Objekts Druckeigenspannungen verleiht, wodurch die Verstärkung dünner Abschnitte oder das Härten spröder Oberflächen ermöglicht wird.

Typischerweise haben Eigenspannungen jedoch negative Auswirkungen. Eigenspannungen sind für einen Hersteller oft unsichtbar, es sei denn, sie führen zu einer erheblichen Verformung, können aber die strukturelle Integrität negativ beeinflussen. Beispielsweise sind dickwandige Strukturen im geschweißten Zustand anfälliger für Sprödbrüche als eine Struktur, die spannungsentlastet wurde.

Die unerwünschten Spannungen wirken sich auch auf die Materialermüdung aus: Es ist seit langem bekannt, dass bei nicht geschweißten Werkstoffen unter Ermüdungsbeanspruchung nur die Zugteile des aufgebrachten Spannungszyklus zum Ermüdungsrisswachstum beitragen (im unteren Teil von Abbildung 1) Umgekehrt müssen bei Verbindungen im geschweißten Zustand die Auswirkungen der Schweißeigenspannungen zu denen der aufgebrachten zyklischen Spannungen addiert werden, mit dem Ergebnis, dass der gesamte Ermüdungszyklus (Zug und Druck) zu Ermüdungsschäden führt (im oberen Teil von Abbildung 1).

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Abbildung 1 Einfluss von Schweißeigenspannungen auf Ermüdungsschäden.

Glücklicherweise werden die Auswirkungen von Schweißeigenspannungen sowohl auf den Sprödbruch als auch auf die Materialermüdung in Normen und Standards bereits so berücksichtigt, dass sie den meisten Anwendern nicht bekannt sind und sie nicht explizit berücksichtigt werden müssen. Dennoch gibt es besondere Fälle, in denen eine Quantifizierung der Eigenspannungen notwendig ist.

 

Wie kann ich Eigenspannungen messen?

Es gibt viele Techniken zur Messung von Eigenspannungen. Diese lassen sich grob in drei Gruppen einteilen: Zerstörend, halbzerstörend und zerstörungsfrei. Der zu verwendende Ansatz hängt oft von den benötigten Informationen ab. Aufgrund der Komplexität einiger der Messtechniken muss die Messung in einer spezialisierten Einrichtung durchgeführt werden. Dies gilt insbesondere für viele zerstörungsfreie Techniken. Die drei Hauptgruppen sind nachstehend aufgeführt:

Zerstörende Prüfung

Diese Techniken beinhalten die Zerstörung des Messobjekts und werden typischerweise unter dem Gesichtspunkt der Forschung und Entwicklung eingesetzt. Zerstörende Prüfungen sind oft viel kostengünstiger in der Durchführung als zerstörungsfreie Prüfungen. Beispiele für Techniken umfassen:

  • Kontur-Methode: Bei der Konturmethode wird die Eigenspannung bestimmt, indem ein Objekt in zwei Teile geschnitten und Oberflächenhöhenkarten entlang der durch den Schnitt erzeugten freien Ebene gemessen werden. Die durchschnittliche Kontur bestimmt die Verformungen, die durch die Eigenspannungsumverteilung verursacht werden, und wird zur Berechnung der Eigenspannungen durch ein elastisches Finite-Elemente-Modell der Probe verwendet. Das Ergebnis ist eine 2D-Karte der Eigenspannungen senkrecht zur Messebene.
      
  • Schlitzung: Die Schlitzmethode ist eine Technik zur Messung von Dickeneigenspannungen senkrecht zu einer durch ein Objekt geschnittenen Ebene. Dabei wird ein dünner Schlitz in Tiefenschritten durch die Dicke des Werkstücks eingebracht und die resultierenden Verformungen in Abhängigkeit von der Schlitztiefe gemessen. Die Eigenspannung wird dann als Funktion der Position der Durchgangsdicke berechnet, die durch die Lösung eines inversen Problems anhand der gemessenen Verformungen bestimmt wird.

Halbzerstörende Prüfung

Halbzerstörende Verfahren sind insofern mit zerstörenden Verfahren vergleichbar, als sie zur Bestimmung der Eigenspannung ein Dehnungsfreisetzungsprinzip verwenden. Es wird jedoch nur eine geringe Materialmenge entfernt, so dass die Struktur ihre Integrität besser aufrechterhalten kann. Beispiele hierfür sind:

 

  • Tieflochbohren: Beim Tieflochbohren wird ein Loch durch die Dicke eines Objekts gebohrt, der Durchmesser des Lochs gemessen, ein kreisförmiger Schlitz um das Loch herum geschnitten, um einen Materialkern um das Loch herum zu entfernen, und dann der Lochdurchmesser erneut gemessen. Die Eigenspannung wird aus der geometrischen Änderung bestimmt.
      
  • Bohren eines Mittellochs: Das Bohren eines Mittellochs funktioniert nach dem Prinzip, dass ein kleines Loch in ein Objekt gebohrt wird. Wenn das Material, das Eigenspannungen enthält, entfernt wird, erreicht das verbleibende Material einen neuen Gleichgewichtszustand, der mit Verformungen um das Loch herum verbunden ist. Die Verformungen um das Loch herum werden während der Analyse mit Dehnungsmessstreifen oder optischen Methoden gemessen. Die ursprüngliche Eigenspannung im Material wird aus den gemessenen Verformungen berechnet.

Zerstörungsfreie Prüfung

Es gibt zahlreiche Techniken für die zerstörungsfreie Prüfung, bei denen die Auswirkungen der Beziehungen zwischen den Eigenspannungen und ihren Materialänderungen im Kristallgitterabstand gemessen werden. Beispiele für zerstörungsfreie Techniken sind:

 

  • Neutronenbeugung: Verwendet Neutronen zur Messung des Kristallgitterabstandes in einem Objekt. Die aus dem Objekt austretenden Neutronen haben eine vergleichbare Energie wie die einfallenden Neutronen, so dass die Eigenspannung aus dem Gitterabstand bestimmt werden kann.
  • Synchrotron-Röntgenbeugung: Erfordert ein Synchrotron zur Beschleunigung der elektromagnetischen Strahlung, um ein Verständnis der Gitterabstände eines Objekts durch die Dicke hindurch zu ermöglichen. Das Verfahren verwendet einen ähnlichen Ansatz wie die Neutronenbeugung zur Berechnung der Eigenspannung.
  • Röntgendiffraktometrie: Dieses Verfahren ermöglicht die Messung von Oberflächeneigenspannungen, da die Röntgenstrahlung die Objektoberfläche nur um einige hundert Mikrometer durchdringt.

Wie vermindere ich Eigenspannungen?

Es gibt eine Reihe von Techniken, die zur Umverteilung oder zum Abbau von Eigenspannungen eingesetzt werden können. Eine geeignete Fertigungsauslegung und die vorteilhafte Auswahl der Schweißparameter können die Bildung von Eigenspannungen reduzieren. Beispielsweise können Schweißverarbeitungstechniken, die den Wärmegradienten innerhalb eines Objekts verringern, die erzeugten Spannungen in ihrer Größenordnung reduzieren.

Im Anschluss an einen Fertigungsprozess können zusätzliche Schritte unternommen werden, um die in einem Objekt enthaltenen Eigenspannungen drastisch zu reduzieren. Dies kann durch thermische oder mechanische Bearbeitung erreicht werden. Die Wärmebehandlung nach dem Schweißen wird häufig eingesetzt, um die Eigenspannungen in einem geschweißten Objekt abzubauen oder neu zu verteilen. Aus mechanischer Sicht können Techniken wie Kugelstrahlen, Kaltwalzen und Recken angewandt werden, um den gewünschten Effekt zu erzielen.

Wie kann TWI Ihnen helfen?

Das TWI bietet seinen Mitgliedern derzeit eine Reihe von Dienstleistungen im Zusammenhang mit prozessinduzierten Eigenspannungen an, darunter:

  • Messung
  • Numerische Modellierung
  • Beratung zu:

- Auswirkungen von Eigenspannungen auf die strukturelle Integrität (hauptsächlich Bruch und Ermüdung)

- Methoden zur Verringerung von Eigenspannungen (z.B. Wärmebehandlung nach dem Schweißen, Peening usw.)

- Verzugsminimierung

 

Darüber hinaus befassen sich mehrere frühere und aktuelle Projekte des National Structural Integrity Research Centre (NSIRC) mit der Messung, Modellierung oder Interpretation verschiedener Aspekte der Schweißeigenspannungen.

Die Eigenspannungsexpertise des TWI deckt daher das gesamte Spektrum der Technology Readiness Levels (TRLs) ab, von der universitätsnahen Forschung und Entwicklung bis hin zur Anwendung von Maßnahmen zur Eigenspannungsreduzierung vor Ort.

Das TWI blickt auf eine lange Geschichte der Zusammenarbeit mit seinen Mitgliedern zurück und hat dadurch viel Erfahrung, um die mit Eigenspannungen verbundenen Herausforderungen zu bewältigen.

Dieser Artikel gehört zu einer Reihe von häufig gestellten Fragen (FAQs). Für weitere Informationen zu Eigenspannungen oder anderen Themen, senden Sie bitte eine englischsprachige E-Mail an:

kontakt@twi-deutschland.com

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