Eigenspannungsmessungen

Der Eigenspannungszustand ist mit ausschlaggebend für die Lebensdauer und Tragfähigkeit eines Bauteils.

Was sind Eigenspannungen?

Mechanische Spannungen, die innerhalb von Bauteilen oder Strukturen ohne Vorhandensein einer äußeren Last herrschen, nennt man Eigenspannungen. Eigenspannungen gehen einher mit elastischen Dehnungen und Gitterabstandsänderungen. Eigenspannungen können vorliegen als:

  • Zugeigenspannungen, normalerweise nicht erwünscht
  • Druckeigenspannungen, in der Regel vorteilhaft
  • Schubspannungen

Warum sind Eigenspannungsmessungen wichtig?

Herstellungsprozesse wie jede Art von Oberflächenbearbeitung, Schleifen, Drehen, Fräsen, Kugelstrahlen, Rollieren und Glattwalzen, aber auch Wärmebehandlungen und Schweißvorgänge erzeugen Eigenspannungen. Der Eigenspannungszustand ist mit ausschlaggebend für die Lebensdauer und Tragfähigkeit eines Bauteils. Es ist ebenfalls möglich, den Eigenspannungszustand gezielt über entsprechende Prozesse einzustellen.

residual stresses

Messverfahren für Eigenspannungen

Zur Messung von Eigenspannungen gibt es verschiedene Verfahren. Man unterscheidet grundsätzlich zerstörende und zerstörungsfreie Verfahren. Unter diesen gibt es die Beugungsverfahren, Verfahren basierend auf Dehnungsauslösung und weitere. Alle Verfahren zur Eigenspannungsmessung sind indirekt. Eigenspannungen werden aus anderen Messgrößen berechnet oder abgeleitet wie z.B. elastischen Dehnungen oder Verformungen.

Beugungsverfahren zur Eigenspannungsmessung:

Bei Beugungsverfahren werden elastische Dehnungen über das Bragg’sche Gesetz gemessen. Die Eigenspannungen werden dann mittels E-Modul (E), Poissonzahl (v) und dem Gesetz nach Hooke berechnet.

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Röntgenbeugung (Röntgendiffraktion)

Verglichen mit sichtbarem Licht haben Röntgenstrahlen eine kürzere Wellenlänge und höhere Energie. Das erlaubt die Messung von Kristallgitterabständen in kristallinen Werkstoffen, sowie deren Änderungen durch Eigenspannungen.

Die Röntgenbeugung liefert zuverlässige Daten für die Qualitätssicherung und kann auf allen kristallinen Werkstoffen inklusive Keramiken angewandt werden.

Mittels Röntgenbeugung können Eigenspannungen absolut gemessen werden, eine Referenzprobe ist nicht notwendig. Eigenspannungen werden in N/mm² (MPa im angelsächsischen Sprachgebrauch) angegeben.

Neutronenbeugung (Neutronendiffraktion)

Messungen mit Neutronenbeugung liefern den vollständigen Spannungstensor, σ11 (parallel zur Oberfläche), σ22 (parallel zur Oberfläche) and σ33 (senkrecht zur Oberfläche), an dickwandigen Bauteilen. Wie bei der Röntgenbeugung werden die Dehnungen mithilfe des Braggschen Gesetzes gemessen und daraus die Eigenspannungen über das Hookesche Gesetz mittels E-Modul (E) und Poissonzahl (v) berechnet. Die Verfügbarkeit von Neutronenquellen mit Diffraktometern zur Eigenspannungsmessung ist aufgrund der Kosten und des Aufwandes limitiert.

Synchrotronbeugung

Synchrotronbeugung arbeitet mit höheren Energien als Röntgenbeugung. Synchrotronbeugung kann an Bauteilen mit komplexer Geometrie eingesetzt werden, allerdings ist die Bauteilgröße beschränkt. Es gibt nur wenige Synchrotronbeschleuniger weltweit, was die Messungen aufwendig und kostenintensiv macht.

Eigenspannungsmessungen mittels Bohrlochmethode

Die Bohrlochmethode ist die am meisten eingesetzte Technik zur Messung von Eigenspannungen, welche auf das Auslösen von Dehnungen basiert. Durch ein Bohrloch an der Messstelle wird das vorhandene Spannungsgleichgewicht gestört und es stellt sich ein neuer Gleichgewichtszustand durch Deformationen rund um das Bohrloch herum ein.

Bohrlochmethode mit Dehnungsmessstreifen

Mit Dehnungsmessstreifen um das Bohrloch herum werden die durch das Bohrloch ausgelösten Deformationen gemessen. Die Eigenspannungen, die vor Einbringung des Bohrlochs vorlagen, werden mithilfe geeigneter Modelle berechnet.

ESPI Bohrlochmethode

Über die Speckle Pattern Interferometrie werden optisch mit hoher Auflösung die Deformationen um das Bohrloch herum gemessen. Anschließend werden die Eigenspannungen, die vor Einbringung des Bohrlochs vorlagen, mithilfe geeigneter Modelle berechnet, vergleichbar zur konventionellen Bohrlochmethode.

Wie korreliert Barkhausenrauschen mit Eigenspannungen?

effect of hardness and stress

Die Messung von Eigenspannungen mittels Barkhausenrauschen kann nicht einfach umgesetzt werden, da das Barkhausenrauschen keine Werte liefert, die sich direkt in Eigenspannungen umrechnen lassen.

Das Barkhausenrauschen liefert Signale, die unter anderem vom Eigenspannungszustand abhängen. Dabei wird das Rauschen durch Druckspannungen reduziert und durch Zugspannungen erhöht. Signaländerungen lassen also abhängig von der Richtung auf Eigenspannungsänderungen/Unterschiede schließen.

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Mit Stresstech Produkten lassen sich Eigenspannungen und Restaustenitgehalt mühelos in der Produktionslinie, im Labor oder im Feld messen und bestimmen.