Was sind Eigenspannungen?
Eigenspannungen sind Spannungen in einem Körper, der keinen äußeren Kräften ausgesetzt ist
Welchen Wert nimmt die Summe der Eigenspannungen an?
Die Summe der Eigenspannungen ist Null
Zug- und Druckspannungen gleichen sich aus!
Welche Arten von Eigenspannungen gibt es?
Makroeigenspannung σ'
Mikroeigenspannung σ''
Spannungen im atomaren Bereich σ'''
Wodurch sing die Eigenspannungen I. Art charakterisiert?
Sind über größere Werkstoffbereiche (mehrere Körner) nahezu homogen
Innere Kräfte bezüglich jeder Schnittfläche durch den gesamten Körper im Gleichgewicht
Innere Momente verschwinden in Bezug auf beliebige Achse
Abweichungen vom Kräfte- und Momentengleichgewicht => Makroskopische Maß- und Formänderungen
Wodurch sind Eigenspannungen II. Art charakterisiert?
Über kleine Werkstoffbereiche (ein Korn oder Kornbereiche) annähernd homogen
Innere Kräfte und Momente sind über hinreichend viele Körner im Gleichgewicht
Abweichungen von diesem Gleichgewicht => Makroskopische Maßänderungen
Wodurch werden Eigenspannungen III. Art charakterisiert?
Über kleinste Werkstoffbereiche (einige Atomabstände) inhomogen
Innere Kräfte und Momente bezüglich kleiner Bereiche (Teile eines Korns) im Gleichgewicht
Abweichungen von diesem Gleichgewicht => Keine makroskopischen Maßänderungen
Nenne Gründe für Eigenspannungen III. Art!
Leerstelle
interstitiell eingelagertes Fremdatom
substituirtes Fremdatom
kohärente/ inkohärente Ausscheidung
Schrauben-/ Stufenversetzung
Klein-/ Großwinkelkorngrenze
kohärente Phsengrenze
Eigenspannungsursachen!
Eigenspannungsursachen durch Fertigungsprozess?
Nenne typische Eigenspannungsursachen beim Gießen!
Temperaturverteilung
Formfüllung
Erstarrung (ungleichmäßiges Abkühlen nach dem Gießen )
Wozu führt dieser Temperaturverlauf eines abkühlenden Stahlzylinders?
Zu einem zeitlich verändertem Spannungsverlauf in Kern und Mantel
Beschreibe zusammenfassend wie es zu den unterschiedlichen Spannungen kommt!
Durch Phasenumwandlungen treten neben thermisch bedingten auch phasenspezifisch bedingte Volumenänderungen auf
Martensitumwandlung beim Abkühlen beginnt in der Randschicht: Volumenzunahme, die der Schrumpfung entgegenwirkt
Der plastische Spannungsabbau wird vorzeitig gestoppt und dieSpannungsumkehr zu kürzeren Zeiten verschoben
Die Spannungen im Kern überschreiten bei der dort erbleibenden relativ hohen Temperatur die Warmstreckgrenze
Plastisch bedingter teilweiser Abbau von Spannungen im Kern
Martensitische Umwandlung im Kern bedingt nach vollständigem Temperaturausgleich die Bildung von Zugspannungen im Rand und Druckspannungen im Kern
Welche möglichen Eigenspannungsverläufe entstehen beim Abschrecken eines umwandlungshärtenden Stahlzylinders in Abhängigkeit von der Abschreckintensität?
Wie entstehen Eigenspannungen beim Umformen (Biegen)?
äußere Faser gedehnt
innere Faser gestaucht
Welche Eigenspannngsverläufe ergeben sich für eine Platte mit Stumpfnaht entlang der Schnitte?
Wodurch wird das Festigkeitsverhalten von Schweißnähten beeinflusst?
den Werkstoffzustand
die Gefüge- und Mikrostruktur
Eigenspannungen
In welchem Bereich einer Schweißnaht können Zugspannungen entstehen?
Im Bereich von Naht und Wärmeeinflusszone (WEZ)
Nenne eine Möglichkeit der Eigenspannungserzeugung beim Trennen!
Schleifbrand beim Schleifen
Was ist Schleifbrand?
Thermisch bedingte Schädigung der geschliffenen Werkstückrandzone => Eigenspannungen
Nenne 5 Ursachen für Schleifbrand!
Zustellbetrag
Vorschubgeschwindigkeit (Zeitspanvolumen)
Schleifscheibenzustand (zugesetzt, verschlissen, Rundlauffehler)
mangelnde Kühlschmierwirkung (Spezifikation, Additive, Druck, Menge, Anordnung und Form der Düsen)
Verzahnungsgeometrie
Wie sieht die Eingenspannungsverteilung eines geschliffenen Bauteils aus?
Welche Gefahr ergibt sich?
Gefahr der Rissbildung durch zu hohe Zugeigenspannungen im Randbereich
Wie sieht die Eigenspannungsverteilung eines einsatzgehärteten Bauteils aus?
Wie sieht der Eigenspannungstiefenverlauf nach dem Kugelstrahlen eines Bauteils aus? (Vergleich niedrige zu hoher Strahlintensität und zum ungestrahltem Bauteil)
Welche beanspruchungsbedingten Möglichkeiten der Eigenspannungserzeugung gibt es?
Welche Eigenspannungsverteilung ergibt sich durch eine teilplastische Verformung von Kerbstäben?
Warum?
Gib jeweils die Eigenspannungsverteilung an!
Nenne eine chemisch bedingte Eigenspannung!
Wie kommt sie zustande?
H-Diffusion bei elektrochemischer Korrosion
Beladung einer Probe mit diffusiblem, atomaren Wasserstoff bei elektrochemischer Diffusion
Diffusion des atomaren Wasserstoff ins Gitter
Anlagerung von atomaren Wasserstoff an Gitterfehlern
Rekombination des atomaren Wasserstoff zum H2–Molekül führt zur Volumenaufweitung
Folge: Entstehung von Eigenspannungen
Wie wirkt sich folgende Eigenspannungsverteilung auf die Bruchfestigkeit eines spröden Bauteils aus?
Gesammtspannung = Eigenvorspannungmax + Lastspannung
=> Bruchfestigkeit sinkt um sigmaei,max
Wie wirken sich Eigenspannungen auf ein zähes Bauteil im Bezug auf den Zähbruch aus?
Fließbeginn setzt um sigmaei,max früher ein
Welche Auswirkungen können Eigenspannungen bei schwingender Belastung haben?
statisch wirksame Überlagerung von Eigenspannung und örtlicher Mittelspannung
Druckeigenspannungen in der biegezugseitigen Randzone eines Biegebalkens können die Zug-Mittelspannung an der versagenskritischen Stelle vermindern oder die resultierende statische Spannung in den Druckbereich verschieben
=> größere dauerfest ertragbare Schwingamplitude
Ursache dafür ist der so genannte „Mittelspannungseinfluss“
Eine Superposition von Lastmittelspannungen mit örtlichen Zugeigenspannungen verringert die dauerfest ertragbare Schwingamplitude
Wie unterteilt man die experimentellen Messverfahren zur Eigenspannungsbestimmung?
Was sind zerstörungsfreie Messmethoden von Eigenspannungen?
Messung der Abstände des Metallgitters durch Röntgen- oder Neutronendiffraktion
Messung des Effekts von Eigenspannungen auf bestimmte physikalische Eigenschaften der Werkstoffe (Ultraschallverfahren oder magnetische Methoden, z.B. Barkhausen-Rauschen)
Nenne 3 zerstörungsfreie Messmethoden zur Eigenspannungsbestimmung!
Röntgendifraktomerie
Ultraschall
Neutronendiffraktion
Wie funktioniert die Röntgendifraktomerie?
Ermittlungvon elastischen Gitterdehnungen ε = (d-d0)/d0
Die Gitterabstände d werden mittels des Bragg´schen Gesetzes λ = 2dsin (θ) für die Reflexion eines Röntgenstrahles der Wellenlänge λ am Kristallgitter bestimmt
Mittels elastizitätstheoretischer Beziehungen und röntgenelastischer Konstanten s können Spannungen direkt berechnet werden.
Geringe Eindringtiefe => nur Spannung direkt unter der Oberfläche
Wie funktioniert die Ultraschallmessmethode zur Bestimmung von Eigenspannungen?
Bestimmung von Eigenspannungen in Oberflächennähe und im Volumen, wenn elastische Konstanten bekannt und das Werkstück„durchschallbar“
Messgrößen: Ultraschallgeschwindigkeit von Longitudinal bzw.Transversalwellen und auch die Ultraschallabsorption
große Geschwindigkeitsänderungen, wenn die Schwingungsrichtung mit der Hauptspannungsrichtung zusammenfällt, lineare Änderung mit den Spannungen, so lange die Elastizitätsgrenze des Materials nicht überschritten
Quantitative Beschreibungen dieser Geschwindigkeitsänderungen möglich
Nenne 3 zerstörende Messmethoden zur Eigenspannungsbestimmung!
Aufschneiden
Ausbohren
Cut-Compliance Methode
Was sind zerstörende oder mechanisch-elektrische Verfahren?
Verformungsmessung mittels Setzdehnungsmessung oder Dehnmessstreifen während eines Werkstoffabtrags zur Störung des inneren Gleichgewichts
Wie funktionieren die zerstörenden Messmethoden zur Eigenspannungsbestimmung grundsätzlich?
durch Schneiden, Bohren, Fräsen oder anderer Bearbeitungsmethoden wird ein Stück Material entfernt. Entlang der dabei gebildeten Oberflächen werden die Spannungen zum Verschwinden gebracht
Aus Gleichgewichtsgründen muss damit eine Umlagerung der Eigenspannungen im ganzen Körper erfolgen, was mit Dehnungen und Formänderungen verbunden ist
Messung dieser Dehnung
Welche zwei Verfahren von zerstörenden Messmethoden kennst du?
Ringkernverfahren
Bohrlochverfahren
Was ist das Ringkernverfahren?
Fräsen eines Ringes in das Werkstück
DMS-Rosette auf verbleibendem Kern
Formänderungen gemessen
Welche Vor- und Nachteile bietet das Ringkernverfahren?
Vorteil:
Eingriff geringer als beim Bohrlochverfahren
Praktisch vollständige Entspannung
Stufenweises Bohren zur Bestimmung des Spannungsgradienten in die Tiefe möglich
Nachteil:
Bohrung und Messung aufwendig (Spezialwerkzeuge und Messmethode notwendig)
Wie funktioniert das Bohrlochverfahren?
Bohrung im Werkstück
3 DMS drumherum um 120° versetzt angeordnet
Welche Vor- und Nachteile bietet das Bohrlochverfahren?
Vorteile:
Relativ einfache, genormte Methode
lokale Messung mit relativ guter räumlicher Auflösung
Nachteile:
Messung nur an der Oberfläche möglich
störende plastische Effekte bei hohen Eigenspannungen
Beurteile die Messverfahren von Eigenspannungen!
mechanisch-elektrischen Messverfahren: leicht anzuwenden und in der Praxis weit verbreitet
zerstörungsfreie Verfahren: größerer Aufwand und besondere Erfahrungen bei der Interpretation der Messergebnisse
Röntgenverfahren: technisch ausgereift
Ultraschallverfahren sowie die magnetischen Verfahren: bedürfen Weiterentwicklung
Welches rechnerische Verfahren zur Eigenspannungsbestimmung gibt es?
Wie ist es zu beurteilen?
FEM-Methode
Teilweise gute Näherung, teilweise starke Abweichung
Welche möglichen Methoden zur Abminderung von Eigenspannungen gibt es?
Thermische Verfahren
Gezielte mechanische Überlastung
Einsinnige Verformung (Recken, Ziehen)
Wechselsinnige Verformung (Schwingbeanspruchung)
Kombinierte thermisch/mechanische Verfahren
Einwirkung magnetischer Wechselfelder (bei ferromagnetischenWerkstoffen)
Partielle Objektzerstörung
Rütteln
Nenne ein thermisches Verfahren zum Eigenspannungsabbau!
Glühbehandlung
Wie funktioniert der Eigenspannungsabbau durch Glühbehandlung?
Spannungsabbau durch Relaxation
=>Abnahme der Festigkeitseigenschaften mit zunehmender Temperatur
Bei Glühtemperatur TSP werden ES bis zur Warmstreckgrenze oder Kriechgrenze durch plastische Verformung abgebaut
Plastische Dehnung muss vom Werkstoff aufgenommen werden =>Gefahr der Rissbildung bei Werkstoffen mit hohen ES und geringer Zähigkeit
Langsames Abkühlen (auch langsames Aufheizen) erforderlich
Wie funktioniert der Eigenspannungsabbau durch mechan. Überlastung?
Nenne zusammenfassend Vor- und Nachteile von Eigenspannungen!
Vorteile:
Druckeigenspannungen im versagenskritischen Bereich reduzieren Zugbeanspruchung
Günstige Überlagerung von örtlichen Druckeigenspannungen mit örtlichen Zuglastspannungen
Druckeigenspannungen können Spannungsrisskorrosion verhindern
Nachteile:
Hohe Zugeigenspannungen können zur Rissentstehung beitragen
Ungünstige Eigenspannungen, z.B. aus der Fertigung, müssen evtl. durch Spannungsarmglühen entfernt werden
Eigenspannungen können zu Maßänderungen führen