Eigenspannungen in Werkstoffen: Arten, Ursachen und praktische Anwendungen

In festen Werkstoffen sind Eigenspannungen jene Spannungen, die nach Wegfall der ursprünglichen Belastung im Material verbleiben. Sie können sowohl erwünscht als auch unerwünscht sein. Unbeabsichtigte Eigenspannungen können zu vorzeitigem Versagen führen, während sie gezielt eingesetzt – etwa in vorgespanntem Glas – große, dünne, riss- und kratzfeste Smartphone-Displays ermöglichen.

Dieser Artikel behandelt Definition, Anwendungen, Arten, Ursachen, Auswirkungen, Messverfahren und Kontrolle von Eigenspannungen.

Was sind Eigenspannungen?

Eigenspannungen sind Spannungen, die in einem Material (häufig in geschweißten Bauteilen) auch ohne äußere Last oder Temperaturgradienten verbleiben. Sie können erhebliche plastische Verformungen verursachen, die zu Verzug oder Verformung führen. Zudem beeinflussen sie die Anfälligkeit für Bruch und Ermüdung.

Man bezeichnet sie auch als „eingesperrte Spannungen“ in einem metallischen Körper, der frei von äußeren Kräften ist. Die Spannungen entstehen, weil ein Bereich des Metalls durch angrenzende Bereiche daran gehindert wird, sich zusammenzuziehen, auszudehnen oder elastische Spannungen abzubauen. Da Eigenspannungen sowohl Zug- als auch Druckspannungen sein können, koexistieren sie oft innerhalb eines Bauteils.

Ursachen von Eigenspannungen

Eigenspannungen entstehen, wenn Bauteile über ihre elastische Grenze hinaus beansprucht werden, was zu plastischer Verformung führt. Diese kann folgende Ursachen haben:

• Phasenumwandlungen beim Abkühlen von erhöhten Temperaturen
• Oberflächenbehandlungen wie Emaillieren, Galvanisieren, PVD- und CVD-Beschichtung
• Nicht gleichmäßige plastische Verformung beim Erhitzen und Abkühlen
• Chemische oder kristallographische Inhomogenitäten (z. B. Nitrieren, Einsatzhärten)
• Nicht-plastische Verformung bei mechanischer Bearbeitung wie Walzen, Umformen (Biegen, Ziehen), Zerspanen, mechanische Oberflächenbehandlungen (Kugelstrahlen, Rollenglätten)

Die drei Hauptursachen im Detail:

Thermische Schwankungen

Beim Abkühlen eines Werkstücks – typisch für Schweißnähte durch die intensive Wärmeeinbringung – kühlen verschiedene Bereiche unterschiedlich schnell ab. Dies führt zu lokalen Schwankungen der thermischen Kontraktion und damit zu ungleichmäßigen Spannungen im Bauteil.

Die Oberfläche kühlt schneller ab und wird im Kern zusammengedrückt. Während der Kern noch nachkühlt, wird er vom bereits kalten Außenmaterial zurückgehalten. Dadurch entsteht im Kern Zug-Eigenspannung, im Randbereich Druck-Eigenspannung.

Mechanische Bearbeitung

Eigenspannungen durch plastische Verformung entstehen bei nicht gleichmäßiger Verformung über den Querschnitt während Fertigungsprozessen wie Biegen, Ziehen, Extrudieren, Walzen usw.

Während der Verformung ist ein Teil des Materials elastisch, der andere plastisch verformt. Nach Entlastung versucht das Material, den elastischen Anteil zurückzugewinnen, wird aber vom angrenzend plastisch verformten Material daran gehindert.

Phasenumwandlung

Bei Phasenumwandlungen entsteht ein Volumenunterschied zwischen der neu gebildeten Phase und dem umgebenden, noch nicht umgewandelten Material. Diese Volumenänderung verursacht Ausdehnung oder Kontraktion und damit Eigenspannungen.

Auswirkungen von Eigenspannungen

Eigenspannungen können je nach Vorzeichen (Zug oder Druck) vorteilhaft oder nachteilig sein. Zug-Eigenspannungen können groß genug sein, um Verformungen oder Risse zu verursachen. Sie sind Voraussetzung für Ermüdung und Spannungsrisskorrosion, da sie sich algebraisch zu den Betriebslasten addieren. Oberflächennahe Zug-Eigenspannungen in Kombination mit externen Zugspannungen verringern die Zuverlässigkeit und können Spannungsrisskorrosion auslösen.

Im Gegensatz dazu mindern oberflächennahe Druck-Eigenspannungen die Wirkung angelegter Zugspannungen. Sie erhöhen die Ermüdungsfestigkeit und die Beständigkeit gegen Spannungsrisskorrosion.

Positive Effekte lassen sich durch gezielte Einbringung von Druck-Eigenspannungen erzielen, z. B. durch Laserpeening. Dieses Verfahren erzeugt druckspannungsbehaftete Oberflächen, die spröde Werkstoffe zähigen oder dünne Bereiche verstärken.

Negative Effekte treten auf, wenn Eigenspannungen unbeabsichtigt entstehen. Obwohl oft unsichtbar, können sie die strukturelle Integrität beeinträchtigen: Dickwandige geschweißte Strukturen sind ohne Spannungsarmglühen anfälliger für spröden Bruch.

Arten von Eigenspannungen

Zug-Eigenspannungen

Sie verringern die Ermüdungsfestigkeit und führen zu Ermüdungsbruch. Sie entstehen oft als Nebenprodukt aggressiven Schleifens (Risswachstum), durch Einpressen, Fügen, Biegen oder Torsion. Torsionsspannungen verbleiben in Gussbauteilen und können Oberflächenrisse verursachen. Spannungsrisskorrosion tritt nur bei Zug-Eigenspannungen auf.

Druck-Eigenspannungen

Sie erhöhen Ermüdungsfestigkeit und Beständigkeit gegen Spannungsrisskorrosion. Sie können gezielt durch Kugelstrahlen, Laserpeening, Low-Plasticity-Burnishing oder Autofrettage erzeugt werden. Der Werkstoff verfestigt sich (Kaltverfestigung). Der Hauptzweck ist oft die Kompensation schädlicher Zugspannungen. Auch Spannungsarmglühen (Wärmebehandlung) reduziert Zug-Eigenspannungen.

Zusätzlich werden Eigenspannungen in drei Typen klassifiziert:

Typ-1-Eigenspannungen (Makro-Eigenspannungen)

Sie entwickeln sich über viele Kristallite (Körner). Eine Änderung ihres Gleichgewichts ändert die makroskopischen Abmessungen. Prozesse, die eine inhomogene Spannungsverteilung erzeugen, verursachen Typ-1-Spannungen.

Typ-2-Eigenspannungen (Mikro-Eigenspannungen)

Sie entwickeln sich innerhalb eines einzelnen Korns und können in verschiedenen Körnern unterschiedlich groß sein. Martensitische Umwandlung erzeugt sie besonders gut: Bei unvollständiger Umwandlung von Austenit in Martensit führt das größere Volumen des Martensits zu unterschiedlichen Eigenspannungen.

Typ-3-Eigenspannungen (Submikro-Eigenspannungen)

Sie entstehen innerhalb weniger atomarer Abstände im Korn durch Kristalldefekte wie Leerstellen, Versetzungen usw.

Messung von Eigenspannungen

Es gibt verschiedene Messverfahren, grob unterteilt in zerstörende, teilzerstörende und zerstörungsfreie Methoden. Die Wahl hängt vom benötigten Informationsumfang ab.

Zerstörende Verfahren

Das Bauteil wird zerstört. Meist für Forschung und Entwicklung genutzt, oft kostengünstiger als zerstörungsfreie Methoden.

• Schnittverfahren (Contour Method): Das Bauteil wird durchtrennt, die Höhenprofile der neu entstandenen Flächen werden vermessen. Aus der Verformung wird über ein elastisches FE-Modell die Eigenspannungskomponente senkrecht zur Schnittebene als 2D-Karte berechnet.
• Schlitzverfahren (Slitting Method): Ein dünner Schlitz wird schrittweise in das Werkstück geschnitten. Die resultierende Verformung wird in Abhängigkeit von der Schnitttiefe gemessen und die Eigenspannung über die Dicke hinweg berechnet.

Teilzerstörende Verfahren

Ähnlich wie zerstörende Methoden, aber es wird nur wenig Material abgetragen (Dehnungsfreisetzungsprinzip). Die Bauteilintegrität bleibt weitgehend erhalten.

• Tieflochbohren (Deep Hole Drilling): Ein Loch wird durch die Wanddicke gebohrt, der Durchmesser gemessen. Danach wird ein ringförmiger Schlitz um das Loch gefräst, um einen Kern zu entnehmen, und der Lochdurchmesser erneut vermessen. Die geometrische Änderung gibt die Eigenspannungen preis.
• Zentrisches Bohren (Centre Hole Drilling): Ein kleines Loch wird in das Bauteil gebohrt. Durch Materialentfernung stellt sich ein neues Gleichgewicht ein. Die Verformungen um das Loch werden mit Dehnungsmessstreifen oder optisch erfasst und auf die ursprünglichen Eigenspannungen zurückgerechnet.

Zerstörungsfreie Verfahren

Sie nutzen Beziehungen zwischen Eigenspannungen und Änderungen im Kristallgitter.

• Neutronenbeugung: Neutronen messen den Gitterparameter im Material. Aus der Gitterverzerrung lässt sich die Eigenspannung bestimmen.
• Synchrotron-Röntgenbeugung: Ein Synchrotron beschleunigt elektromagnetische Strahlung, um den Gitterparameter im Volumen zu ermitteln. Die Auswertung erfolgt analog zur Neutronenbeugung.
• Röntgenbeugung: Misst oberflächennahe Eigenspannungen (Eindringtiefe nur wenige hundert Mikrometer).

Kontrolle von Eigenspannungen

Kontrolle ist sinnvoll, wenn Bauteile Ermüdung oder Spannungsrisskorrosion ausgesetzt sind oder wenn Eigenspannungen groß genug sind, um Verformung oder Risse zu verursachen.

Mechanische Behandlungen wie Kugelstrahlen, leichtes Kaltwalzen oder Streckpressen induzieren oberflächennahe Druck-Eigenspannungen. Weitere Methoden: Spannungsarmglühen, Steuerung des Härteprozesses, Werkstoffauswahl.

Da die Streckgrenze von Metallen mit steigender Temperatur sinkt, können Eigenspannungen durch Erhitzen auf eine Temperatur abgebaut werden, bei der die Streckgrenze der Betrag der Eigenspannung erreicht. Das Material durchläuft dann mikroskopische plastische Verformung, die einen Teil der Spannungen freisetzt. Nach dem Glühen entspricht die maximale verbleibende Eigenspannung der Streckgrenze bei der Glühtemperatur.

Eigenspannungen lassen sich auch durch verringerte Abkühlraten (geringere Temperaturschwankungen) reduzieren, sodass Phasenumwandlungen gleichmäßiger über den Querschnitt verlaufen. Aus Bauteilperspektive können Legierungen mit langsameren Abkühlraten gewählt werden, sofern die gewünschten Phasenumwandlungen noch stattfinden.

Fazit

Eigenspannungen können sowohl positiv als auch negativ wirken. Sie können die Lebensdauer verkürzen, aber auch gezielt zur Verbesserung von Bauteileigenschaften eingesetzt werden. Dieser Artikel hat Definition, Arten, Ursachen, Auswirkungen, Kontrolle und Messverfahren von Eigenspannungen umfassend dargestellt.

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