Eigenspannungen

Als Eigenspannungen bezeichnet man die Spannungen, die in Bauteilen auch ohne äussere Belastung zugegen sind und sich somit den Betriebsspannungen überlagern. Häufigste Ursachen sind Kaltverformung, lokale Temperatureinwirkungen, inhomogene plastische Verformungen , lokale plastische und Gefügeumwandlungen oder Phasenübergänge im festen Zustand, wie sie im Herstellungsprozess von Bauteilen, bei Verbindungen (Schweissen, Löten) oder im Gebrauch oft auftreten. Eigenspannungen sind deshalb praktisch in jedem Bauteil vorhanden.

Longitudinale Eigenspannungen im Bereich einer Schweissverbindung zwischen zwei hochfesten Stahlblechen, gemessen mit der CC-Methode (siehe unten).

Eigenspannungen unterscheiden sich von "normalen" mechanischen Spannungen in verschiedener Hinsicht. Zum einen entziehen sie sich den üblichen Mess- und Berechnungsmethoden, zum andern sind ihre Auswirkungen auf die Sicherheit der betroffenen Bauteile und Konstruktionen durch komplizierte Interaktionen geprägt. Deshalb haftet ihnen auch etwas der Ruf des Geheimnisvollen und Unberechenbaren an. Wenn sich ein Bauteil anders als rechnerisch erwartet verhält, wird dies gerne den Eigenspannungen zugeschrieben.

Einteilung der Eigenspannungen nach Wirkungsfeld und Auswirkungen

Je nach Wirkungsfeld unterscheidet man zwischen Makro- und Mikroeigenspannungen (bzw. Eigenspannungen der 1., 2. und 3. Art, siehe schematische Darstellung). Von technischer Bedeutung sind in erster Linie die makroskopischen. Diese können das Bruchverhalten, die Lebensdauer oder die Formstabilität eines Bauteils massgeblich beeinflussen.

Gezielt eingebrachte Eigenspannungen können sich auch günstig auf die Bauteilbeanspruchung auswirken und die Lebensdauer entscheidend erhöhen.

Eigenspannungsbedingter Riss in einem Kegelrad

Messung der Eigenspannungen

Man unterscheidet generell zwischen den "zerstörungsfreien" und den "zerstörenden Messmethoden. "Zerstörungsfrei" bedeutet dabei, dass die Messung unter der zu messenden Spannung erfolgt. Das Messprinzip der "zerstörenden" Methoden besteht dagegen gerade darin, die Spannungsänderung infolge eines mechanischen Eingriffs zu messen, und daraus die ursprünglichen Eigenspannungen zu berechnen. In diesem Zusammenhang ist allerdings anzumerken, dass aufgrund der engen Platzverhältnisse in den entsprechenden Prüfgeräten und der beschränkten Durchdringungskraft der Röntgen- bzw. Neutronenstrahlen auch die Anwendung "zerstörungsfreier" Methoden oft die faktische Zerstörung des Bauteils zur Folge hat. Effektiv "zerstörungsfrei" sind deshalb nur die "teil-zerstörenden" Verfahren, bei welchen dem Bauteil lediglich ein lokaler, reparierbarer Schaden (Bohrloch, Oberflächenschnitt, Härteeindruck) beigefügt wird.

Wenn zur Messung ein vorgängiges Zerschneiden des Bauteils notwendig ist, sind die dadurch bewirkten Spannungsänderungen unbedingt zu berücksichtigen.

Alle aufgeführten Methoden haben ihre spezifischen Vor- und Nachteile, und entsprechend ihre zweckmässigen Einsatzgebiete. Ein wichtiges Kriterium ist dabei die zu messende Tiefe und der erlaubte Zerstörungsgrad. Mit den international normierten Methoden (Bohrlochmethode und Röntgendiffraktion) lassen sich Eigenspannungen nur an der Oberfläche messen. Die Ermittlung eines Tiefenprofils ist mit diesen Methoden äusserst aufwendig und relativ ungenau.

Bezüglich Genauigkeit und Aussagekraft hinsichtlich des mechanischen Bauteilverhaltens sind die mechanischen (zerstörenden bzw. teil-zerstörenden) Methoden den andern oft überlegen. Dies gilt insbesondere für die neueste der mechanischen Methoden, die Cut- Compliance Methode (auch Crack Compliance Methode genannt, eine ASTM-Norm in Vorbereitung, siehe unten). Eine ausführlichere Beschreibung der mechanischen Methoden findet sich in (PDF) Mechanische Verfahren zur Bestimmung von Eigenspannungen.

Beurteilung der Auswirkungen

Die Messung der Eigenspannungen ist meistens nur der eine Teil der Problemlösung - der andere, ebenso wichtige, ist die Beurteilung ihrer Auswirkungen auf das Bauteilverhalten. Eigenspannungen beeinflussen namentlich die Geschwindigkeit des unterkritischen Risswachstums (Ermüdung, Spannungsrisskorrosion, u. ä.) und damit die Lebensdauer und die Bruchsicherheit. Generell gilt, dass die Eigenspannungen nicht punktuell, sondern integral wirken. Zur Beurteilung der Auswirkungen sind punktuelle Spannungswerte deshalb nicht ausreichend - entscheidend ist ihre Verteilung über ein gewisses, physikalisch relevantes Gebiet.

Cut-Compliance Methode

Mit der Cut-Compliance-(CC-) Methode, an deren Entwicklung Mat-Tec massgeblich beteiligt war (und ist), lassen sich die Eigenspannungsverläufe über einen ganzen Querschnitt eines Bauteils effizient und zuverlässig messen. Für nähere Erläuterungen wird auf Publikationen (PDF) verwiesen:

• Some Steps Towards Automation of the Crack Compliance Method to Measure Residual Stress Distributions, ICRS5, 1997
• Experimental Determination of Crack Closure by the Cut Compliance Technique, in: Advances in Fatigue Crack Closure Measurement and Analysis, ASTM STP 1343, 1999

Dazu lässt sich auch direkt der Verlauf der Rissbeanspruchung infolge der Eigenspannungen in Form des Verlaufs des Spannungsintensitätsfaktors ermitteln. Dieser ist für bruchmechanische Ermüdungs- und Lebensdauerberechnungen erforderlich. Damit ist die CC-Methode auch geeignet, Rissschliesseffekte experimentell zu ermitteln (PDF: Charakterisierung und Abschätzung des Ermüdungsrissverhaltens im Bereich des Schwellenwerts).
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Die CC-Methode lässt sich auch als teil-zerstörendes Verfahren zur Ermittlung der Eigenspannungen bis in eine gewisse Tiefe anwenden (PDF: Near-surface stress measurement in 2D and 2D by the cut compliance technique, Material Science Forum, 2002). Damit lassen sich Eigenspannungen an grösseren Objekten in-situ messen. Zur CC-Methode ist zurzeit eine ASTM-Norm in Vorbereitung, in deren Drafting-Committee auch die Mat-Tec AG Einsitz hat.

Beispiel einer Eigenspannungsmessung und Ermittlung des daraus resultierenden Spannungsintensitätsfaktors in einer geschmiedeten Welle

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