Kriechen in Werkstoffen: Ursachen, Auswirkungen und Gegenmaßnahmen

Kriechen, auch als Kaltfließen bekannt, bezeichnet die Tendenz eines festen Werkstoffs, sich unter anhaltender mechanischer Belastung langsam und irreversibel zu verformen. Besonders bei Bauteilen, die hohen Lasten oder hohen Temperaturen ausgesetzt sind, ist Kriechen ein zentrales Thema für Ingenieure und Werkstoffwissenschaftler. Ein Kriechvorgang muss nicht zwingend zum Versagen führen, kann aber die Funktionseigenschaften stark beeinträchtigen. Dieser Artikel beantwortet folgende Fragen:

• Was ist Kriechen in Werkstoffen?
• Welche Stadien durchläuft der Kriechvorgang?
• Was versteht man unter Kriechfestigkeit?
• Welche Arten der Kriechverformung gibt es?
• Wo tritt Kriechen in der Praxis auf?
• Wie wird Kriechfestigkeit gemessen?
• Wie lässt sich Kriechen minimieren oder vermeiden?

Steigen wir direkt ein!

Was ist Kriechen in Werkstoffen?

Kriechen (Kaltfließen) ist die zeitabhängige, plastische Verformung eines festen Werkstoffs unter konstanter mechanischer Last, die unterhalb der Streckgrenze liegt. Es tritt insbesondere bei langfristiger Einwirkung hoher Temperaturen auf und wird stärker, je näher die Betriebstemperatur dem Schmelzpunkt kommt. Die Verformungsgeschwindigkeit hängt von Werkstoffeigenschaften, Temperatur, Belastungsdauer und Spannungshöhe ab.

Die Verformung kann so weit fortschreiten, dass das Bauteil seinen Zweck nicht mehr erfüllt – ein klassisches Beispiel ist die Turbinenschaufel, die durch Kriechen das Gehäuse berührt und versagt. Ingenieure müssen Kriechen bei Hochtemperaturanwendungen (Turbinen, Dampfleitungen, Triebwerke) zwingend berücksichtigen. Interessanterweise kann Kriechen in manchen Fällen erwünscht sein: Betoningenieure nutzen geringes Kriechen, um Zugspannungen abzubauen und Rissbildung zu verzögern. Im Gegensatz zum spröden Bruch ist Kriechen ein zeitabhängiger Prozess, bei dem sich die Dehnung unter konstanter Last kontinuierlich aufsummiert.

Die drei Stadien des Kriechens

Kriechen verläuft typischerweise in drei Phasen, die in einem Spannungs-Dehnungs-Zeit-Diagramm (Kriechkurve) deutlich sichtbar sind:

Primäres Kriechen (Stadium I)

Nach der sofortigen elastischen Verformung setzt die plastische Verformung ein. Die Kriechgeschwindigkeit ist anfangs hoch, nimmt aber durch Verfestigung (Kaltverfestigung) im Materialverlauf ab. Das Material "arbeitet sich ein".

Sekundäres Kriechen / Stationäres Kriechen (Stadium II)

Die Kriechrate wird konstant und minimal. Mikrostrukturelle Schäden sind noch nicht nennenswert vorhanden. Dieses Stadium ist für die Auslegung oft entscheidend, da es die längste Lebensdauerphase darstellt. Die stationäre Kriechrate ist ein wichtiges Kenngröße für die Werkstoffauswahl.

Tertiäres Kriechen (Stadium III)

Mikrostrukturielle Schäden (Hohlraumbildung, Kornrandtrennung) häufen sich an, die Kriechrate steigt exponentiell an. Das Bauteil neckt ein und bricht schließlich. Dieses Stadium markiert das bevorstehende Versagen.

Was ist Kriechfestigkeit?

Kriechfestigkeit (Kriechgrenze) beschreibt den maximalen Spannungswert, den ein Werkstoff bei einer bestimmten Temperatur über einen definierten Zeitraum aushalten kann, ohne eine unzulässig große Kriechverformung zu erfahren. Sie ist eine entscheidende Kenngröße für Bauteile im Hochtemperaturbetrieb (Dampfturbinen, Gasturbinen, Raketentriebwerke, Hochtemperaturrohre).

Einflussfaktoren sind Temperatur, Zeit, Spannung und Legierungszusammensetzung. Die Kriechfestigkeit wird meist als Spannung angegeben, die zu einer bestimmten Gesamtdehnung (z. B. 1 %) nach einer festgelegten Zeit (z. B. 10.000 h) bei konstanter Temperatur führt.

Arten der Kriechverformung (Kriechmechanismen)

Je nach Temperatur, Spannung und Mikrostruktur dominieren unterschiedliche Mechanismen:

• Versetzungskriechen: Bewegung von Versetzungen im Kristallgitter (hohe Spannungen, niedrigere Temperaturen).
• Diffusionskriechen: Atombewgung durch Volumendiffusion (Nabarro-Herring) oder Korngrenzdiffusion (Coble) – bei hohen Temperaturen, feinkörnigen Werkstoffen, niedrigen Spannungen.
• Versetzungsklettern und -gleiten: Thermisch aktiviertes Überwinden von Hindernissen durch Versetzungen.
• Grenzflächenkriechen: Gleiten an Korngrenzen, Phasengrenzen.

Praxisbeispiele: Durch Sonneneinstrahlung erwärmte, durchgehende Schweißschienen können ausknicken (Kriechen unter Eigenspannung). Bei Polymeren spricht man von viskoelastischem Kriechen – einer zeitabhängigen Dehnungszunahme unter konstanter Last.

Typische Anwendungsfälle mit Kriechbeanspruchung

Kriechen ist relevant, wo hohe Temperaturen und/oder dauerhafte Lasten zusammentreffen:

• Kraftwerkstechnik: Dampfturbinen, Kesselrohre, Überhitzer
• Luft- und Raumfahrt: Turbinenschaufeln, Triebwerkskomponenten, Raketendüsen
• Chemische Industrie: Hochtemperaturreaktoren, Druckbehälter
• Automobil: Abgasturbolader, Auspuffkrümmer, Kolben (teilweise)
• Kerntechnik: Brennhülsen, Druckbehälter

Im Gegensatz dazu sind PKW-Fahrgestelle (niedrige Temperaturen, statische Lasten) auf Schlagzähigkeit ausgelegt, nicht auf Kriechfestigkeit.

Messung der Kriechfestigkeit

Die Bestimmung erfolgt an Kriechprüfmaschinen: Ein Probestab wird bei konstanter Temperatur und konstanter Zugspannung bis zum Bruch oder über eine definierte Zeit gedehnt. Die Aufzeichnung der Längenänderung über die Zeit ergibt die Kriechkurve mit den drei Stadien.

Wichtige Kenngrößen aus dem Diagramm:

• Zeit bis zum Bruch (Rupturzeit)
• Minimale Kriechrate (Steigung im sekundären Stadium)
• Gesamtdehnung beim Bruch
• Kriechgrenze (Spannung für 1 % Dehnung in 10.000 h / 100.000 h)

Die Prüfung erfordert präzise Temperaturkonstanz (±1–2 K), da thermische Ausdehnung die Messung verfälschen würde.

Minimierung und Vermeidung von Kriechverformungen

Konstruktive und werkstoffliche Maßnahmen:

• Einkristalline Werkstoffe / grobkörnige Strukturen: Reduzieren Korngrenzengleiten (z. B. Einkristall-Turbinenschaufeln aus Nickelbasis-Superlegierungen).
• Hoher Schmelzpunkt: Werkstoffe mit hohem Schmelzpunkt (W, Mo, Ni-Basis, Keramik) zeigen bei gegebener Betriebstemperatur weniger Kriechen (homologe Temperatur T/T_m niedrig halten).
• FCC-Gitter (flächenzentriert kubisch) statt BCC: FCC-Metalle (Ni, Cu, Al, Austenit) haben niedrigere Diffusionskoeffizienten als BCC-Metalle (Fe, W, Mo) bei hohen Temperaturen – günstiger für Kriechbeständigkeit.
• Hoher Schubmodul / gezielte Legierung: Festige Ausscheidungen (γ' in Ni-Basis, Karbide, Oxide) behindern Versetzungsbewegung.
• Betriebstemperatur senken: Kühlung, thermische Barriereschichten (TBC), konstruktive Maßnahmen zur Temperaturreduzierung.
• Spannungsreduzierung: Größere Querschnitte, Lastverteilung, Vermeidung von Spannungsspitzen (Kerben).

Zusammenfassung

Kriechen ist die zeitabhängige, plastische Verformung unter konstanter Last unterhalb der Streckgrenze, besonders relevant bei hohen Temperaturen. Es verläuft in drei Stadien (primär, sekundär, tertiär). Die Kriechfestigkeit ist eine zentrale Auslegungskenngröße für Hochtemperaturbauteile. Durch Werkstoffauswahl (Superlegierungen, Keramik, Einkristalle), konstruktive Maßnahmen (Kühlung, Spannungsreduzierung) und Fertigungsqualität lässt sich Kriechen beherrschen. Ein tiefes Verständnis der Kriechmechanismen ist Voraussetzung für sichere, langlebige Konstruktionen im Hochtemperaturbereich.

Ich hoffe, dieser Artikel hat Ihnen einen umfassenden Einblick gegeben. Teilen Sie ihn gerne mit Kollegen und Kommilitonen. Vielen Dank fürs Lesen!