Kriechen in einem Material verstehen

Kriechen, manchmal auch als Kaltfluss bezeichnet, ist die Tendenz eines festen Materials, sich langsam zu bewegen oder sich irreversibel zu verformen, wenn es dauerhaften mechanischen Belastungen ausgesetzt ist. Bei der Untersuchung von Komponenten, die unter hohen Belastungen oder hohen Temperaturen arbeiten, haben Ingenieure und Metallurgen normalerweise Bedenken hinsichtlich des Kriechens. Ein als Kriechen bezeichneter Verformungsmechanismus kann ein Versagensmodus sein oder auch nicht. In diesem Artikel werden die Antworten auf die folgenden Fragen beantwortet:

• Was ist Kriechen in einem Material?
• Was sind die Phasen des Materialkriechens?
• Was ist Kriechfestigkeit?
• Welche Arten von Kriechverformungen gibt es?
• Was sind die häufigsten Fälle von Creep?
• Wie misst man eine Kriechfestigkeit?
• Wie kann Kriechverformung minimiert oder vermieden werden?

Lass uns jetzt eintauchen!

Was ist Kriechen in einem Material?

Kriechen, manchmal auch als Kaltfluss bezeichnet, ist die Tendenz eines festen Materials, sich langsam zu bewegen oder einer irreversiblen Verformung zu unterliegen, wenn es andauernden mechanischen Belastungen ausgesetzt ist.

Dies kann als Folge einer längeren Belastung durch hohe Belastungen auftreten, die immer noch unter der Streckgrenze des Materials liegen. Langfristige Wärmeeinwirkung verschlimmert das Kriechen und wird oft schlimmer, wenn sich die Materialien dem Schmelzpunkt nähern. Die Eigenschaften des Materials, die Einwirkzeit, die Einwirkungstemperatur und die aufgebrachte strukturelle Belastung haben alle Einfluss darauf, wie schnell sich ein Material verformt.

Je nach Belastungsintensität und -dauer kann die Verformung so weit zunehmen, dass ein Bauteil seinen Zweck nicht mehr erfüllen kann. Beispielsweise kann das Kriechen einer Turbinenschaufel dazu führen, dass die Schaufel mit dem Gehäuse in Kontakt kommt und versagt. Bei der Untersuchung von Komponenten, die unter hohen Belastungen oder hohen Temperaturen arbeiten, haben Ingenieure und Metallurgen normalerweise Bedenken hinsichtlich des Kriechens. Ein als Kriechen bezeichneter Verformungsmechanismus kann ein Versagensmodus sein oder auch nicht.

Zum Beispiel mögen einige Betoningenieure ein mäßiges Kriechen, weil es Zugspannungen reduziert, die andernfalls zu Rissen führen könnten. Im Gegensatz zu einem Sprödbruch tritt eine Kriechverformung nicht sofort auf, wenn eine Belastung ausgeübt wird. Stattdessen führt anhaltender Stress zu einer Anhäufung von Belastungen. Das Kriechen ist somit eine „zeitabhängige“ Verformung.

Was sind die Phasen des Materialkriechens?

Kriechen ist eine Art Metallverformung, die bei Belastungen unterhalb der Streckgrenze eines Metalls auftritt, normalerweise bei hohen Temperaturen. Es gibt drei Phasen zum Kriechen:

• Primär oder Stadium I
• Sekundarstufe oder Stufe II
• Tertiär oder Stadium III

Primär oder Stufe I

Während des Umformvorgangs tritt zunächst primäres Kriechen auf. An diesem Punkt hat die elastische Verformung gerade erst begonnen. Die atomare Bindungsdehnung führt zu einer vorübergehenden elastischen Verformung. Nach der elastischen Verformung beginnt eine dauerhafte plastische Verformung aufzutreten. Diese Verzerrung beginnt schneller während der primären Kriechphase und verlangsamt sich dann mit der Zeit. Die Kaltverfestigung ist die Ursache für die Abnahme der Kriechgeschwindigkeit, die gegen Ende der primären Kriechphase auftritt.

Sekundarstufe oder Stufe II

Sobald sich die Dehnungsrate zu stabilisieren beginnt und konstant wird, beginnt das sekundäre Kriechen. Im Vergleich zur ersten und dritten Kriechstufe erfolgt die Dehnung beim Sekundärkriechen sehr langsam. Da keine mikrostrukturellen Schäden aufgetreten sind, ist die Kriechrate konstant und ziemlich langsam.

Tertiär oder Stadium III

Der Prozess der Kriechverformung endet mit dem tertiären Kriechen. Sobald die Mikrostruktur des Metalls beschädigt ist, beginnt dieser Schritt des Kriechprozesses. Da sich die Mikrostruktur immer mehr verschlechtert, steigt die Dehnungsrate. Das Metall bricht schließlich und versagt, sobald genügend mikrostrukturelle Hohlräume erzeugt wurden.

Was ist Kriechfestigkeit?

Das Material reagiert unterschiedlich auf hohe Sofortbelastungen oder Dauerbelastungen über einen längeren Zeitraum. Wenn ein Material kontinuierlich mechanisch belastet wird, scheint es sich langsam zu bewegen oder sich dauerhaft zu verformen.

Der Crawl ist der Name für diese angeborene Tendenz. Temperatur, Zeit, Spannung und Legierungszusammensetzung sind einige der Faktoren, die den Beginn und die Entwicklung des Kriechens in einem Material beeinflussen. Die Kriechverformungsrate ist die Bezeichnung für den Schlupfprozentsatz. Creep muss viele technische Anwendungen kennenlernen, insbesondere solche, die mit hohen Temperaturen und Belastungen zu tun haben. Einige Beispiele für schleichende Einschläge in Dampfleitungen, Raumschiffen und Turbinen sind Scheiben und Schaufeln.

Die Kriechgrenze, auch Kriechfestigkeit genannt, misst, wie gut ein Material dem Kriechen widerstehen kann. Stress bezieht sich insbesondere auf die externen Faktoren, die eine konstante Kriechrate verursachen. Dies impliziert, dass die höchste Belastung, der das Material ausgesetzt wurde, ohne sich über einen bestimmten Zeitraum signifikant zu verformen, die Rissbeständigkeit verursacht.

Welche Arten von Kriechverformungen gibt es?

Versetzungskriechen, Diffusionskriechen (Massendiffusion oder Korngrenzendiffusion), Versetzungssteiggleitkriechen und thermisch ausgelöstes Gleitkriechen sind einige Beispiele für Kriechverformung. Diese vielen Kriechmechanismen sind alle abhängig von der Temperatur, bei der sich das Material verformt, der Belastung, der das Material ausgesetzt ist, und der Mikrostruktur und Zusammensetzung des Materials.

Eine durchgehend geschweißte Schiene, die beispielsweise durch direkte Sonneneinstrahlung erhitzt wird, kann auf einem Eisenbahngleis knicken. Dies wird durch die wachsende Spannung des Stahls und das daraus resultierende Kriechen verursacht. Bei mäßigem Kriechen kann Beton brechen, dies ist jedoch gelegentlich vorteilhaft, da es hilft, Zugspannungen in der Struktur zu verringern. Konstante Belastung von Polymeren führt zu einem zeitabhängigen Dehnungserhöhungsprozess, der als viskoelastisches Kriechen bezeichnet wird.

Was sind die häufigsten Fälle von Kriechen?

Meistens kann bei einigen Anwendungen ein Kriechen festgestellt werden. Aufgrund ihrer geringen statischen Belastungen und niedrigen Betriebstemperaturen sind beispielsweise Automobilrahmen mehr auf Schlagfestigkeit ausgerichtet. Auf der anderen Seite können bei der Wahl des falschen Materials bestimmte Automotorkomponenten, die hohen Belastungen und Temperaturen durch die Motorverbrennung ausgesetzt sind, kriechen.

Anwendungen mit hoher Hitze und extremer Beanspruchung neigen häufig zum Kriechen. Beispiele hierfür sind die Erzeugung von Kernenergie, Teile von Industriemotoren, erhitzte Metallfäden, Teile von Strahltriebwerken und unter Druck stehende Hochtemperaturrohre.

Wie misst man eine Kriechfestigkeit?

Eine Kriechprüfmaschine, ein Werkzeug, das die Verformung eines Materials unter verschiedenen Belastungen misst, wird zur Bewertung der Kriechfestigkeit verwendet. Mit Temperatur oder Belastung als Variablen kann damit dargestellt werden, wie viel Spannung und Dehnung ein Material aushalten kann. Die 3 einzigartigen Phasen des Kriechens – primäres Kriechen, stationäres Kriechen und tertiäres Kriechen – sind in der folgenden Grafik dargestellt.

Die Temperatur und das Zeitintervall für jeden Kriechschritt können aus dem Diagramm bestimmt werden. Somit kann die tertiäre Kriechstufe des Diagramms zur Bestimmung der Kriechfestigkeit oder Kriechgrenze verwendet werden. Um die Auswirkungen der Wärmeausdehnung zu minimieren, ist es wichtig, die Temperatur der Kammer zu regulieren, in der der Kriechtest durchgeführt wird.

Wie kann Kriechverformung minimiert oder vermieden werden?

Es ist jetzt offensichtlich, dass Kriechverformung typischerweise eine schlechte Sache ist. Bestimmte Designüberlegungen können angestellt werden, um seine Auswirkungen zu verringern oder zu verhindern, von denen einige Folgendes umfassen:

• Verwenden Sie Einkristallmaterialien mit großen Körnern, um das Gleiten der Korngrenzen zu reduzieren, und fügen Sie feste Lösungen hinzu, um mikrostrukturelle Hohlräume zu beseitigen.
• Verwenden Sie Substanzen mit einem hohen Schmelzpunkt.
• Verwenden Sie Metalle mit kubischem Flächenzentrum (FCC) anstelle von Metallen mit kubischem Körperzentrum (BCC), um die Diffusion aufgrund ihrer niedrigeren Diffusionskoeffizienten zu verringern.
• Verwenden Sie Materialien mit einem hohen Schermodul oder praktischen Legierungen.
• Senken Sie die Betriebstemperatur des Materials während der Verwendung (anwendungsspezifisch).

Zusammenfassung

Es ist nun klar, dass die Kriechverformung im Allgemeinen ein unerwünschtes Phänomen ist. Um seine Wirkung zu verringern oder zu verhindern, sollte der obige Schritt befolgt werden.

In der Materialwissenschaft ist Kriechen die Tendenz eines festen Materials, sich langsam zu bewegen oder sich unter dem Einfluss anhaltender mechanischer Spannungen dauerhaft zu verformen.

Das ist alles für diesen Artikel, in dem die folgenden Fragen beantwortet werden:

• Was ist Kriechen in einem Material?
• Was sind die Phasen des Materialkriechens?
• Was ist Kriechfestigkeit?
• Welche Arten von Kriechverformungen gibt es?
• Was sind die häufigsten Fälle von Creep?
• Wie misst man eine Kriechfestigkeit?
• Wie kann Kriechverformung minimiert oder vermieden werden?

Ich hoffe, Sie lernen viel aus der Lektüre, wenn ja, teilen Sie bitte mit anderen, danke fürs Lesen, und bis bald!