Verständnis der verschiedenen Arten von Eigenspannungen

In festen Materialien sind Restspannungen Spannungen, die in ihnen verbleiben, nachdem ihre ursprüngliche Spannungsursache beseitigt wurde. Restspannung kann in einem Material nutzlos und nützlich sein. das heißt, es kann wünschenswert oder unerwünscht sein. Unbeabsichtigte Eigenspannungen in einem Material können zu vorzeitigem Versagen führen, während es in gehärtetem Glas verwendet werden kann, um große, dünne, riss- und kratzfeste Smartphone-Gläser zu ermöglichen.

Heute sehen wir uns die Definition, Anwendungen, Typen, Ursachen, Wirkungen, Diagramme, Kontrolle und die Messung von Eigenspannungen an.

Was ist Eigenspannung?

Restspannung ist die Spannung, die in einem Material verbleibt (üblicherweise bei einer geschweißten Komponente), selbst wenn keine externe Belastung oder kein Wärmegradient vorhanden ist. Restspannungen können zu erheblichen plastischen Verformungen führen, die zu Verformungen oder Verwerfungen von Materialien führen können. Sie können in einigen Fällen die Anfälligkeit für Brüche und Ermüdung beeinträchtigen.

Restspannungen werden auch als eingeschlossene Spannungen in einem Metallobjekt bezeichnet, selbst wenn das Objekt frei von äußeren Kräften ist. Die Spannungen können dazu führen, dass ein Bereich des Metalls durch benachbarte Bereiche daran gehindert wird, sich zusammenzuziehen, auszudehnen oder elastische Spannungen abzugeben. Da Restspannungen Zug- oder Druckspannungen sein können, können sie innerhalb einer Komponente nebeneinander bestehen.

Was sind die Ursachen für Restspannung?

Eigenspannungen entstehen, wenn Gegenstände oder Bauteile über ihre Elastizitätsgrenze hinaus belastet werden, was zu einer plastischen Verformung führt. Die plastische Verformung kann folgende Ursachen haben:

• Phasenumwandlungen beim Abkühlen von erhöhten Temperaturen.
• Oberflächenbehandlungen wie Emaillieren, Galvanisieren, PVD- und CVD-Beschichtung.
• Ungleichmäßige plastische Verformung beim Erhitzen und Abkühlen.
• Heterogenität chemischer oder kristallographischer Ordnung (Nitrieren oder Einsatzhärten)
• Nicht-plastische Verformung während der mechanischen Bearbeitung wie beim Walzen, Umformen (Biegen oder Ziehen), Zerspanen und mechanischen Oberflächenbehandlungen (Kugelstrahlen und Rollieren).

Im Folgenden sind die drei Ursachen für Restspannung aufgeführt:

Thermische Schwankungen:

Die thermische Variation ist, wenn ein Objekt von einer Temperatur abgekühlt wird, dies findet häufig in einer Schweißverbindung aufgrund der intensiven Wärmenutzung für das Fügen statt. Aus diesem Grund besteht im gesamten Körper ein großer Unterschied in der Abkühlungsgeschwindigkeit, was zu lokalisierten Variationen in der Oberfläche und im Inneren des Materials führt. Dieses unterschiedliche Maß an thermischer Kontraktion erzeugt ungleichmäßige Spannungen innerhalb eines Objekts.

Beim Abkühlen kühlt die Oberfläche schneller ab und das erhitzte Material wird in der Mitte komprimiert. Während der mittlere Teil des Materials Zeit zum Abkühlen braucht, wird er durch das kühlere Außenmaterial eingeschränkt. Dadurch entsteht im inneren Teil eine Restzugspannung und im äußeren Teil des Materials eine Restdruckspannung.

Mechanische Verarbeitung:

Eigenspannungen, die durch plastische Verformung entstehen, werden durch mechanische Bearbeitung verursacht. Es tritt auf, wenn die plastische Verformung über den Querschnitt des Materials, das einem Herstellungsprozess wie Biegen, Ziehen, Extrudieren, Walzen usw. unterzogen wird, ungleichmäßig ist.

Während des Verformungsprozesses ist ein Teil des Materials elastisch und der andere plastisch. Wenn also die Last entfernt wird, versucht das Material, den elastischen Teil der Verformung wieder aufzunehmen. Aufgrund des angrenzenden plastisch verformten Materials wird es jedoch daran gehindert, sich vollständig zu erholen.

Phasentransformation:

Die Phasenumwandlung ist eine weitere Möglichkeit, wie Eigenspannungen verursacht werden können. Es tritt auf, wenn ein Material eine Phasenumwandlung erfährt, dh ein Volumenunterschied zwischen der neu gebildeten Phase und dem umgebenden Material, das noch der Phasenumwandlung unterzogen werden muss. Dieser Volumenunterschied verursacht eine Ausdehnung oder Kontraktion des Materials, was zu einer Eigenspannung führt

Was sind die Auswirkungen von Restspannung?

Eigenspannungen sind in manchen Situationen vorteilhaft, je nachdem, ob es sich um eine Zug- oder Druckspannung handelt. Zugeigenspannungen können groß genug sein, um eine Materialverformung oder Rissbildung zu verursachen. Auch bei Ermüdungs- und Spannungsrisskorrosion sind Zugspannungen erforderlich. Dies liegt daran, dass Restspannungen algebraisch mit aufgebrachten Spannungen summiert werden. Die Oberflächeneigenzugspannungen in Kombination mit aufgebrachter Zugspannung können die Zuverlässigkeit des Materials verringern. Auch Zugeigenspannungen reichen manchmal aus, um Spannungsrisskorrosion zu verursachen.

Im Allgemeinen verringern Oberflächeneigendruckspannungen die Wirkungen aufgebrachter Zugspannungen. Tatsächlich tragen Oberflächendruckspannungen zur Verbesserung der Ermüdungsfestigkeit und der Beständigkeit gegen Spannungsrisskorrosion bei.

Wie bereits erwähnt, sind Eigenspannungen je nach Anwendung entweder positiv oder negativ. Positive Effekte werden erzielt, wenn Eigenspannungen in die Konstruktionen einiger Anwendungen implementiert werden, was durch Laserhämmern erreicht werden kann. Ein Laserhämmern verleiht der Oberfläche eines Materials eine Druckeigenspannung. Dies härtet spröde Oberflächen oder stärkt einen dünnen Abschnitt.

Generell können auch Eigenspannungen negative Auswirkungen haben. Die Spannungen sind zwar für Hersteller oft unsichtbar, aber nur dann, wenn sie zu erheblichen Verzügen führen. Die strukturelle Integrität kann negativ beeinflusst werden, z. B. neigen geschweißte dickwandige Konstruktionen eher zu Sprödbruch als spannungsarmgeglühte Konstruktionen.

Arten von Restspannungen

Nachfolgend sind die verschiedenen Arten von Eigenspannungen aufgeführt:

Eigenzugspannungen:

Zugeigenspannungen verringern die Ermüdungsfestigkeit und führen zum Ermüdungsbruch. Sie sind in der Regel die Nebenwirkung von Produktionen, die zu aggressivem Schleifen führen, das Risswachstum verursacht. Sie können auch Schrumpfen, Passen, Biegen oder Torsion einführen. Torsion bleibt an gegossenen Bauteilen immer als Restspannung erhalten, die zu Rissen an der Bauteiloberfläche führen kann. Darüber hinaus ist Spannungsrisskorrosion ein Ereignis, das dort auftritt, wo Zugeigenspannungen vorhanden sind.

Druckeigenspannungen:

Druckeigenspannungen erhöhen sowohl die Ermüdungsfestigkeit als auch die Beständigkeit gegen Spannungsrisskorrosion. Sie können absichtlich durch Verfahren wie Kugelstrahlen, Laserstrahlen, Polieren mit geringer Plastizität und Autofrettage geformt werden. Das Material wird kaltverfestigt oder das Material kaltverformt. Meistens besteht die Bedeutung des Induzierens von Druckeigenspannungen darin, die nachteiligen Auswirkungen von Zugspannungen auszugleichen. Auch das sogenannte Spannungsarmglühen dient der Reduzierung der Zugeigenspannung.

Eigenspannungen können ebenfalls in drei Typen eingeteilt werden:

Eigenspannung Typ 1:

Diese Arten von Eigenspannungen sind als Makroeigenspannungen bekannt, die sich häufig in Körnern entwickeln. Dies ist das Ergebnis jeder Änderung im Gleichgewicht der Restspannung, die zu einer Änderung der makroskopischen Abmessungen führt. Behandlungen oder Prozesse, die eine inhomogene Dehnungsverteilung verursachen, erzeugen Restspannungen vom Typ 1.

Typ-2-Restspannung:

Restspannungen des Typs 2 sind Mikroeigenspannungen, die in einem Korn entwickelt werden. Sie können verschiedene Größen in verschiedenen Körnungen haben. Die martensitische Umwandlung ist am besten geeignet, um diese Restspannung zu erzeugen. Während des Umwandlungsprozesses wird eine unvollständige Umwandlung von Austenit erreicht. Das Volumen von Martensit ist jedoch größer als das von Austenit, was zu unterschiedlichen Formen von Eigenspannungen führt.

Typ-3-Restspannung:

Restspannungen vom Typ 3 sind Restspannungen im Submikrobereich, die sich innerhalb mehrerer Atomabstände des Korns entwickeln. Ihre Entstehung wird durch kristalline Defekte wie Leerstellen, Versetzungen etc. verursacht.

Sehen Sie sich das folgende Video an, um mehr über Restspannungen zu erfahren:

Wie misst man Eigenspannungen?

Es gibt verschiedene Techniken, die zur Messung der Eigenspannung verwendet werden können, die grob in zerstörerisch, halbzerstörend und nicht zerstörerisch kategorisiert werden. Sie werden häufig je nach den erforderlichen Informationen verwendet.

Lernen Sie diese Methoden zur Eigenspannungsmessung kennen!

Destruktiv:

Die destruktive Messtechnik der Eigenspannung erfolgt durch Zerstörung des zu messenden Objekts oder Materials. Sie werden in der Regel zu Forschungs- und Entwicklungszwecken durchgeführt. Und es ist im Vergleich zur zerstörungsfreien Prüfung eine kostengünstigere Methode zur Messung und Erkennung von Eigenspannungen.

Destruktive Tests können auf zwei Arten durchgeführt werden:

• Konturmethode

Konturmethoden bestimmen die Restspannung, indem ein Objekt in zwei Teile geschnitten und ihre Oberflächenhöhenkarten in Richtung der durch den Schnitt erzeugten freien Ebene gemessen werden. Diese Methode bestimmt die durch die Eigenspannungsverteilung verursachten Verformungen und wird verwendet, um die Höhe der Eigenspannung durch ein elastisches Finite-Elemente-Modell der Probe zu ermitteln. Das Ergebnis ist eine 2-D-Karte der Eigenspannung, die senkrecht zur Messebene steht.

• Schlitzverfahren

Schlitzverfahren sind Techniken, die zum Messen der Dicke der Restspannung senkrecht zu einer durch ein Objekt geschnittenen Ebene verwendet werden. Dies beinhaltet das Schneiden eines dünnen Schlitzes in Tiefenschritten durch die Dicke des Werkstücks. Die gemessene resultierende Verformung wird durch die Schlitztiefe erreicht. Und die Restspannung wird durch die Position durch die Dicke berechnet, die durch Lösen eines inversen Problems unter Verwendung gemessener Verformungen bestimmt wird.

Semi-destruktiv:

Eine semidestruktive Restspannungsmesstechnik ist ähnlich einer destruktiven Art. Denn sie nutzen ein Dehnungsfreisetzungsprinzip zur Bestimmung der Eigenspannung. Aber nur eine kleine Menge Material wurde entfernt, anstatt zu zerstören. Dadurch kann die Struktur ihre Integrität besser bewahren.

Halbzerstörende Tests werden ebenfalls auf zwei Arten durchgeführt:

• Tieflochbohren

Tiefbohren wird erreicht, indem ein Loch durch die Dicke eines Materials gebohrt wird, wobei der Durchmesser des Lochs gemessen wird. Schneiden eines kreisförmigen Schlitzes um das Loch herum, um einen Materialkern um das Loch herum zu entfernen, und dann erneutes Messen des Lochdurchmessers. Eigenspannungen werden hier durch die geometrische Veränderung entdeckt.

• Mittellochbohren

Mittellochbohrtechniken werden durchgeführt, indem ein kleines Loch in ein Objekt gebohrt wird. Wenn also das Restspannung enthaltende Material entfernt wird, erreicht das verbleibende Material einen neuen Gleichgewichtszustand. Damit verbunden sind die Verformungen um das Loch herum. Dehnungsmessstreifen oder optische Verfahren werden verwendet, um die Verformungen um das Loch während der Analyse zu messen. Aus den gemessenen Verformungen wird die ursprüngliche Eigenspannung im Material berechnet.

Zerstörungsfrei:

Zerstörungsfrei ist eine weitere Methode zum Messen und Testen von Eigenspannungen in einem Material. Dabei werden die Auswirkungen von Zusammenhängen zwischen Eigenspannungen und deren Materialveränderungen im Kristallgitterabstand gemessen.

Die zerstörungsfreie Methode kann auf drei Arten erreicht werden:

• Neutronenbeugung

Neutronen werden verwendet, um den Kristallgitterabstand in einem Material zu messen. Die im Objekt vorhandenen Neutronen haben eine vergleichbare Energie wie die einfallenden Neutronen. Damit lässt sich die Eigenspannung aus dem Gitterabstand bestimmen.

• Synchrotron-Röntgenbeugung

Ein Synchrotron wird verwendet, um die elektromagnetische Strahlung zu beschleunigen, um eine wahre Dicke zu ermöglichen, die den Materialgitterabstand kennt. Ein ähnlicher Ansatz zur Neutronenbeugung wird verwendet, um die Eigenspannung zu berechnen.

• Röntgenbeugung

Die Messung der Oberflächeneigenspannung wird mit dieser Methode erreicht, da der Röntgenstrahl die Objektoberfläche nur wenige hundert Mikrometer durchdringt.

Wie man Eigenspannungen kontrolliert

Die Kontrolle der Restspannung ist für das Material üblich, da es von Vorteil ist, wenn bei Anwendungen eine gewisse Spannung erforderlich ist. Die Materialien sind Ermüdungs- oder Spannungskorrosionsrissbedingungen ausgesetzt oder wenn die Eigenspannungen groß genug sind, um eine Bauteilverformung oder Rissbildung zu verursachen.

Die Kontrolle der Restspannungen kann durch mechanische Behandlungen wie Kugelstrahlen, leichtes Kaltwalzen und Strecken erreicht werden. Kleine Kompressionsmengen werden verwendet, um Druckeigenspannungen an der Oberfläche eines Bauteils zu induzieren. Wärmebehandlung zum Spannungsabbau, Steuerung des Wärmebehandlungsprozesses und Auswahl der Legierung sind weitere Methoden zur Steuerung von Eigenspannungen.

Da die Streckgrenze des Metalls mit zunehmender Temperatur abnimmt, können Metalle durch Erhitzen auf eine Temperatur, bei der die Streckgrenze des Metalls gleich oder kleiner als die Größe der Restspannung ist, entspannt werden. In diesem Fall kann das Metall mikroskopisch plastisch verformt werden, wodurch zumindest ein Teil der Eigenspannung freigesetzt wird. Nach dem Spannungsabbau entspricht die im Objekt verbleibende maximale Restspannung der Streckgrenze des Materials bei der Spannungsabbautemperatur.

Restspannungen können reduziert werden, indem reduzierte Abkühlungsraten verwendet werden, um Temperaturschwankungen zu verringern, sodass Phasenumwandlungen gleichmäßiger über den gesamten Querschnitt einer Komponente erfolgen können. Nun, dies basiert auf der Perspektive der Komponentenverarbeitung. In diesem Fall können Legierungen mit langsameren Abkühlgeschwindigkeiten ausgewählt werden, während die gewünschten Phasenumwandlungen dennoch stattfinden.

Schlussfolgerung

Restspannungen haben sich als Position oder negativ auf das Material erwiesen. Sie können auftreten und die Lebensdauer des Materials verringern, und sie können auch absichtlich in einem Objekt implementiert werden, um bestimmte Restspannungen zu erhalten. In diesem Artikel haben wir die Definition, Typen, Ursachen, Auswirkungen, Kontrolle und die Messung von Eigenspannungen gesehen.

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