Was sind Eigenspannungen?
Eigenspannungen sind Kräfte, die bei konstanten, einheitlichen Temperaturen auch ohne äußere Beanspruchungen im Werkstoff vorhanden sind.
Ebenso wie Lastspannungen bedingen auch diese Eigenspannungen Änderungen in der Stabilität des Systems und beeinflussen so insgesamt dessen Abmessungen, Ermüdungs- und Bruchfestigkeit. Die normalerweise während der Fertigungs- und Bearbeitungsverfahren im Werkstück entstehenden Eigenspannungen können mit den nutzungsbedingten Werkstückbelastungen zusammenfallen, so dass Mängel schneller verschärft werden und ein vorzeitiges, oft katastrophales Versagen des Werkstücks bzw. Bauteils die Folge ist.
Ursachen für das Auftreten von Eigenspannungen
Die Ursachen für das Auftreten von Eigenspannungen werden in der Regel in drei Makrokategorien mit bestimmten gemeinsamen Merkmalen unterteilt:
- mechanisch bedingte ES
- thermisch bedingte ES
- durch Phasenumwandlung erzeugte ES.
Dabei kann es sich jeweils um Zug- oder Druckspannungen handeln;
Druckeigenspannungen sind manchmal auch erwünscht und werden vor Anlegen der Betriebslasten in die mechanischen Bauteile eingebracht. Dies ist zum Beispiel häufig beim Kugelstrahlen bzw. Shot Peening der Fall.
In der Praxis sind Eigenspannungen meist auf folgende Faktoren zurückzuführen:
- mechanische Bearbeitungen
- Schmiede- und Schweißarbeiten
- uneinheitliche Temperatur im Metallvolumen während des Schmelzvorgangs oder bei der Abkühlung
- Materialerhitzung bei Wärmebehandlungen
- uneinheitliche Materialdichte bspw. im Zuge von Verfahren zum Härten von Metall
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Bedeutung der Untersuchung von Eigenspannungen
Die Untersuchung von Eigenspannungen spielt bei der technisch-mechanischen Projektierung eine grundlegende Rolle, da sich nur durch die qualitative und quantitative Bestimmung dieser Kräfte ermitteln lässt, welche Verfahren für die Bearbeitung eines Bauteils ideal sind, welche Menge an Material zu seiner Herstellung verwendet werden sollte oder wie das Bauteil selbst zu gestalten ist, damit Funktionsstörungen oder Brüche vorhergesehen bzw. vermieden werden können.
Verfahren zur Bestimmung von Eigenspannungen
Unter den zerstörungsfreien bzw. minimal zerstörenden Verfahren zur Eigenspannungsermittlung ist das „Bohrlochverfahren“ in punkto Kosten, Genauigkeit und Vielseitigkeit besonders effektiv. Durch Ausführen einer kleinen Bohrung (Abmessungen von etwa 1,8 mm x 2 mm) wird die Spannungssituation im Messobjekt variiert, was zu einer Veränderung und Umverteilung der im Innern der Werkstoffstruktur vorhandenen Kräfte führt. Diese Veränderung kann mithilfe einer dreistrahligen Dehnungsmessstreifen-Rosette genau gemessen werden; aus der anschließenden Auswertung und Verarbeitung der so erfassten Daten ergibt sich die Messung der Eigenspannung
Einzelne Schritte bei der Eigenspannungsmessung
Die Messung der im Innern eines Werkstoffs vorhandenen Eigenspannungen sieht folgende Schritte vor:
- Anbringung einer Dehnungsmessstreifen-Rosette mit drei radial angeordneten Gittern,
- Ausführung einer in Bezug auf die Rosette zentrierten Durchgangs- oder Sackbohrung,
- Messung der durch die Relaxation der Eigenspannungen verursachten Verformungen,
- Berechnung der Eigenspannungen durch Auswertung der gemessenen Verformungen.
Schulungen zum Thema Eigenspannungen
Da das Wissen über die Einflussnahme von Eigenspannungen auf die Bauteilleistungen und die möglicherweise damit einhergehenden Mängel noch nicht hinreichend verbreitet ist, hat das Unternehmen Sint Technology beschlossen, theoretisch-praktische Schulungen über Eigenspannungen und deren Messung auszurichten.
Bei diesen Schulungen wird der Begriff „Eigenspannungen“ eingehend erläutert; außerdem werden die Auswirkungen beschrieben, die das Vorhandensein dieser Spannungen auf die Festigkeit von Werkstücken aus Metall hat. Durch die Untersuchung spezieller Fallbeispiele, bei denen aufgezeigt wird, was die Eigenspannungen auslösen kann (z. B. Schweißbearbeitung, plastische Verformung, Wärmebehandlungen), wird zugleich das Verfahren zur Messung der Spannungen analysiert, um deren Folgeschäden zu begrenzen und ihrer Entstehung in Zukunft vorzubeugen.
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