Messen der Eigenspannung

Definition und Messen der Eigenspannung

Jede Belastung, die im Material auch ohne externe Einflüsse entsteht, wird als Eigenspannung bezeichnet. Eigenspannungen können somit ihren Ursprung auch in einem Bauteil haben, ohne dass wir davon wissen: Wie jede Spannung setzen sie sich aus den Belastungen durch einwirkende Lasten zusammen. Daraus folgt, dass Eigenspannungen auf das Verhalten der mechanischen Bauteile Einfluß ausüben und die Stabilität von Struktur und Dimension sowie Bruchresistenz und Ermüdungsfestigkeit gefährden können. Tatsächlich kommt es durch Zugeigenspannung leicht zu einer Ausbreitung eventueller Risse und damit zur Verkürzung der Lebensdauer einer mechanischen Komponente. Eigenspannungen verringern demnach Belastungsfähigkeit und Sicherheit der mechanischen Komponenten während ihres Einsatzes und können nur dann wirksam behandelt werden, wenn sie sowohl in Quantität als auch in Qualität bekannt sind.

Modi der Eigenspannungsmessung: Die Dehnungsmessstreifen-Methoden

Die Messung der Eigenspannung mit Dehnungsmessstreifen-Methoden kann semidistruktiv oder distruktiv sein; die wichtigsten Methoden sind folgende:
- Entfernen aufeinanderfolgender Schichten (Layer removal)
- Sachs-Methode (interne Bohrung)
- Sektionierungsmethode (Sectioning Method)
- Bohrlochmethode (Hole drilling method)
- Ringkernverfahren (Ring core method)

Messen der Eigenspannung mit der Bohrlochmethode

Zu den Methoden der Messung der Eigenspannung gehört die "Bohrlochmethode", einer nicht-invasiven Technik, die sich durch besondere Genauigkeit und niedrige Durchführungskosten auszeichnet. Das Grundprinzip dieser Methode ist die Veränderung der Spannungsverhältnisse durch ein winziges Loch - normalerweise 1,8mm x 2mm - , um dann die ausgelöste Verformung mithilfe einer elektrischen Dehnungsmessstreifen-Rosette zu messen und daraus im Anschluß die Eigenspannung abzuleiten.

Schema des Messvorgangs der Eigenspannung mit Bohrlochmethode

Der Vorgang zur Ermittlung der Eigenspannung im Inneren der Materialien mit der Bohrlochmethode verläuft folgendermaßen:
- Verwendung einer Dehnungsmessstreifen-Rosette mit drei radialen Gittern
- Durchführung einer durchgehenden oder blind zentrierten Bohrung mit der Rosette
- Messen der Verformungen, welche durch die Lockerung der Eigenspannung entstehen
- Errechnen der Eigenspannung durch Verarbeitung der gemessenen Verformungen

SINT Technology produziert und verkauft das System MTS3000 oder RESTAN (Residual Stress Analyzer), mit dem Messungen der Eigenspannung mit der Bohrlochmethode vorgenommen werden und die daraus erhaltenen Daten mit vier möglichen Rechenmethoden ausgewertet werden können:
- Standard ASTM E837-08 (uniforme Spannungen)
- Standard ASTM E837-08 (nicht-uniforme Spannungen)
- Integralmethode
- Kockelmann-Methode

Beim ASTM E837-08 handelt es sich um den einzigen Standard auf dem Gebiet der Eigenspannungsmessung.

Bedeutung der Messung der Eigenspannung

Die Messung von Eigenspannung ist vor allem im Bereich der Projektierung von mechanischen Bauteilen von Bedeutung, weil sie dafür nützliche Daten ermittelt und grundlegende Entscheidungen bezüglich der Art der Materialverarbeitung möglich macht. Dies ist vor allem während der Arbeitsphasen, in denen Struktur, Form und Dimension der Bauteile verändert werden können, um so Materialbruch, Maschinenausfälle oder mechanische Fehlfunktionen zu verhindern, wichtig.