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Was sind Eigenspannungen?
Eigenspannungen sind Spannungen in einem Körper, der keinen äußeren Kräften ausgesetzt ist
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Welchen Wert nimmt die Summe der Eigenspannungen an?
- Die Summe der Eigenspannungen ist Null
- Zug- und Druckspannungen gleichen sich aus!
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Welche Arten von Eigenspannungen gibt es?
- Makroeigenspannung σ'
- Mikroeigenspannung σ''
- Spannungen im atomaren Bereich σ'''
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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
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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
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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
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Nenne Gründe für Eigenspannungen III. Art!
- Leerstelle
- interstitiell eingelagertes Fremdatom
- substituirtes Fremdatom
- kohärente/ inkohärente Ausscheidung
- Schrauben-/ Stufenversetzung
- Klein-/ Großwinkelkorngrenze
- kohärente Phsengrenze
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Eigenspannungsursachen!
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Eigenspannungsursachen durch Fertigungsprozess?
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Nenne typische Eigenspannungsursachen beim Gießen!
- Temperaturverteilung
- Formfüllung
- Erstarrung (ungleichmäßiges Abkühlen nach dem Gießen )
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Wozu führt dieser Temperaturverlauf eines abkühlenden Stahlzylinders?
Zu einem zeitlich verändertem Spannungsverlauf in Kern und Mantel
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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
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Welche möglichen Eigenspannungsverläufe entstehen beim Abschrecken eines umwandlungshärtenden Stahlzylinders in Abhängigkeit von der Abschreckintensität?
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Wie entstehen Eigenspannungen beim Umformen (Biegen)?
- äußere Faser gedehnt
- innere Faser gestaucht
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Welche Eigenspannngsverläufe ergeben sich für eine Platte mit Stumpfnaht entlang der Schnitte?
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Wodurch wird das Festigkeitsverhalten von Schweißnähten beeinflusst?
- den Werkstoffzustand
- die Gefüge- und Mikrostruktur
- Eigenspannungen
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In welchem Bereich einer Schweißnaht können Zugspannungen entstehen?
Im Bereich von Naht und Wärmeeinflusszone (WEZ)
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Nenne eine Möglichkeit der Eigenspannungserzeugung beim Trennen!
Schleifbrand beim Schleifen
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Was ist Schleifbrand?
Thermisch bedingte Schädigung der geschliffenen Werkstückrandzone => Eigenspannungen
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Nenne 5 Ursachen für Schleifbrand!
- Zustellbetrag
- Vorschubgeschwindigkeit (Zeitspanvolumen)
- Schleifscheibenzustand (zugesetzt, verschlissen, Rundlauffehler)
- mangelnde Kühlschmierwirkung (Spezifikation, Additive, Druck, Menge, Anordnung und Form der Düsen)
- Verzahnungsgeometrie
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Wie sieht die Eingenspannungsverteilung eines geschliffenen Bauteils aus?
Welche Gefahr ergibt sich?
- Gefahr der Rissbildung durch zu hohe Zugeigenspannungen im Randbereich
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Wie sieht die Eigenspannungsverteilung eines einsatzgehärteten Bauteils aus?
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Wie sieht der Eigenspannungstiefenverlauf nach dem Kugelstrahlen eines Bauteils aus? (Vergleich niedrige zu hoher Strahlintensität und zum ungestrahltem Bauteil)
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Welche beanspruchungsbedingten Möglichkeiten der Eigenspannungserzeugung gibt es?
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Welche Eigenspannungsverteilung ergibt sich durch eine teilplastische Verformung von Kerbstäben?
Warum?
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Gib jeweils die Eigenspannungsverteilung an!
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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
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Wie wirkt sich folgende Eigenspannungsverteilung auf die Bruchfestigkeit eines spröden Bauteils aus?
- Gesammtspannung = Eigenvorspannungmax + Lastspannung
- => Bruchfestigkeit sinkt um sigmaei,max
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Wie wirken sich Eigenspannungen auf ein zähes Bauteil im Bezug auf den Zähbruch aus?
Fließbeginn setzt um sigmaei,max früher ein
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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
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Wie unterteilt man die experimentellen Messverfahren zur Eigenspannungsbestimmung?
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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)
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Nenne 3 zerstörungsfreie Messmethoden zur Eigenspannungsbestimmung!
- Röntgendifraktomerie
- Ultraschall
- Neutronendiffraktion
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Wie funktioniert die Röntgendifraktomerie?
- Ermittlungvon elastischen Gitterdehnungen ε = (d-d0)/d0Die 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
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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
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Nenne 3 zerstörende Messmethoden zur Eigenspannungsbestimmung!
- Aufschneiden
- Ausbohren
- Cut-Compliance Methode
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Was sind zerstörende oder mechanisch-elektrische Verfahren?
Verformungsmessung mittels Setzdehnungsmessung oder Dehnmessstreifen während eines Werkstoffabtrags zur Störung des inneren Gleichgewichts
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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
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Welche zwei Verfahren von zerstörenden Messmethoden kennst du?
- Ringkernverfahren
- Bohrlochverfahren
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Was ist das Ringkernverfahren?
- Fräsen eines Ringes in das Werkstück
- DMS-Rosette auf verbleibendem Kern
- Formänderungen gemessen
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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)
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Wie funktioniert das Bohrlochverfahren?
- Bohrung im Werkstück
- 3 DMS drumherum um 120° versetzt angeordnet
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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
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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
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Welches rechnerische Verfahren zur Eigenspannungsbestimmung gibt es?
Wie ist es zu beurteilen?
- FEM-Methode
- Teilweise gute Näherung, teilweise starke Abweichung
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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
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Nenne ein thermisches Verfahren zum Eigenspannungsabbau!
Glühbehandlung
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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
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Wie funktioniert der Eigenspannungsabbau durch mechan. Überlastung?
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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
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