Eigenspannungen

Was sind Eigenspannungen?

Eigenspannungen sind eine Reihe von Kräften, die im Inneren der Materialien auch ohne äußere Krafteinwirkungen und mit konstanter und uniformer Temperatur wirken.
Diese Spannungen verursachen, wie auch bei durch Belastung hervorgerufenen Spannungen, Schwankungen in der Systemstabilität, weil sie gleichzeitig Dimension, Ermüdungs- und Bruchresistenz verändern. Eigenspannungen, die normalerweise im Bauteil selbst während seiner Herstellung und Bearbeitung entstehen, können sich mit den Gebrauchsbelastungen verbinden und den Defektwachstum verschnellern sowie zu einem frühzeitigen und meist katastrophalem Bruch des Bauteils führen.

 

Gründe für das Sichtbarwerden von Eigenspannungen

Gründe, die für das Sichtbarwerden der Eigenspannungen verantwortlich sind, lassen sich in drei Makro-Kategorien, die durch bestimmte Eigenschaften miteinander verbunden sind, einteilen:
- Eigenspannungen mit mechanischem Ursprung
- Eigenspannungen mit thermischem Ursprung
- Eigenspannungen durch Phasenumwandlung
In allen Fällen kann es sich um Druck- oder Zugeigenspannungen handeln; Druckeigenspannungen sind manchmal erwünscht und werden mechanischen Bauteilen vor der Arbeitsbelastung zugefügt. In den meisten Fällen handelt es sich dabei um eine Behandlung mit Kugelstrahlen oder shot peening.

In der Praxis sind übliche Gründe für das Sichtbarwerden von Eigenspannungen:
- mechanische Verarbeitung
- Schmiede- und Schweißprozesse
- Uneinheitlichkeit der Temperatur im Metallvolumen während des Schmelzvorgangs oder bei der Abkühlung
- Erhitzung der Materialien während thermischer Behandlungen
- unterschiedliche Dichte des Materials, beispielsweise verursacht durch Metall-Härteprozesse

Bedeutung der Analyse von Eigenspannungen

Die Analyse von Eigenspannungen spielt eine grundlegende Rolle in den unterschiedlichen Phasen  der mechanischen Projektierung ein, denn nur durch den qualitativen und quantitativen Nachweis dieser Kräfte ist es möglich, die geeigneten Verarbeitungsprozesse der Komponenten, die optimale Menge des dafür verwendeten Materials und seine besondere Formgebung festzulegen, um so Fehlfunktionen oder Zerbrechen vorherzusehen oder zu vermeiden.

Modi der Messung von Eigenspannungen

Eine hinsichtlich der Kosten, der Genauigkeit und der Durchführbarkeit effizientesten Möglichkeiten ist die nicht distruktive Messung von Eigenspannungen durch die "Bohrmethode". Dabei wird eine Bohrung mit den Maßen von 1,8mm x 2mm durchgeführt und dadurch die Spannung variiert, was zu einer Modifizierung der Kräfteverteilung im Innern der Struktur führt. Diese Veränderung kann durch eine dreiarmige Dehnungsmessstreifen-Rosette gemessen werden, mit deren ermittelten und ausgewerteten Daten man die Eigenspannung erhält.

Prozeßphasen der Messung der Eigenspannungen

Die Prozeßphasen zur Bestimmung der Eigenspannung im Innern eines Materials sind zusammengefaßt folgende:
- Verwendung einer Dehnungsmessstreifen-Rosette mit drei radialen Gittern
- Durchführung einer durchgehenden oder blind zentrierten Bohrung mit der Rosette
- Messen der Verformungen, die durch Entlastung der Eigenspannungen entstehen
- Berechnen der Eigenspannungen durch Ausarbeitung der gemessenen Verformungen