Was ist Eigenspannung? Begriff und Eigenschaften einfach erklärt

Ursachen

Eigenspannungen werden immer durch plastische Verformungen verursacht. Diese können folgende Formen annehmen: Kaltverformung, inhomogene Gefügeumwandlungen, thermische Einflüsse und Phasenübergänge, welche im Herstellungs- und Verarbeitungsprozess entstehen. Eigenspannungen sind bis zu einem bestimmten Grad also grundsätzlich in jedem Bauteil vorhanden.

Arten der Eigenspannung

Je nach Ausdehnung der Eigenspannung wird zwischen drei Arten unterschieden. Grundlage für die Einteilung der Eigenspannung sind Kristallite des Werkstoffs. Kristallite, welche in der Metallurgie auch als Körner bekannt sind, bezeichnen Kristalle, welche sich von der dominanten Kristallform des Werkstoffs unterscheiden.

1. Makro-Eigenspannung (1. Art): Bei der Makro-Eigenspannung werden mehrere abweichende Körner ermittelt. Anzeichen für Makro-Eigenspannungen sind Risse und plastische Deformationen.
2. Mikro-Eigenspannung (2. Art): Die Mikro-Eigenspannung betrachtet ein einziges Korn. Man erkennt sie an der Kaltverfestigung und am Bauschinger-Effekt.
3. Nano-Eigenspannung (3. Art): Die Nano-Eigenspannung betrachtet die EIgenschaften innerhalb eines Korns.

Messung bei Eigenspannung

Im Gegensatz zu gängigen mechanischen Spannungen, lässt sich die Eigenspannung nicht mit den üblichen Messmethoden ermitteln. Stattdessen werden Nebenerscheinungen beobachtet, wie die plastische Verformung, welche Rückschlüsse auf die Eigenspannung zulassen.

Grundsätzlich unterscheidet man bei der Messung der Eigenspannung zwischen zerstörungsfreien und zerstörenden Messmethoden.

Zerstörungsfreie Messmethoden

Bei den zerstörungsfreien Messmethoden handelt es sich um indirekte Messungen, welche die mechanischen Eigenschaften des Bauteils nicht verändern. Zerstörungsfreie Messmethoden umfassen Ultraschall, Röntgendiffraktion und Neutronendiffraktion. Da diese Methoden nicht besonders tief in das Bauteil eindringen, erzielen zerstörungsfreie Messungen im Vergleich zu (teilweise) zerstörenden Messungen weniger effektive Ergebnisse.

Teilweise zerstörende Messmethoden

Bei teilweise zerstörenden Messmethoden handelt es sich um Verfahren, bei denen das Bauteil nur teilweise beschädigt wird. Der Schaden (Oberflächenschnitt oder Bohrloch) kann außerdem repariert werden.

Zerstörende Messmethoden

Wie die Bezeichnung schon verrät, werden Bauteile bei der zerstörenden Messmethode komplett zerstört. Dafür werden sie aufgeschnitten, ausgebohrt oder dem Cut Compliance Verfahren unterzogen. Mit den zerstörenden Messmethoden kann man das entsprechende Bauteil zwar nicht weiterverwenden, allerdings agiert es als Musterbeispiel für gleich gefertigte Bauteile.

Reduktion von Eigenspannung

Generell gibt es zwei Möglichkeiten, um Eigenspannungen in Bauteilen abzubauen: Bewegung und Temperatur.

Das am weitesten verbreitete Verfahren ist das Spannungsarmglühen. Hierbei werden innere Spannungen durch langsame Erwärmung abgebaut. Bei Stahl werden Höchsttemperaturen von 550°C bis 650°C erreicht. Ein neueres Verfahren ist das Abbauen von Spannungen mittels Vibrationsbewegungen. Das Bauteil wird Schwingungen in niedrigen Frequenzen ausgesetzt, welche die inneren Spannungen lösen.