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2. Wärmespannungen
Nicht Temperaturwechsel selbst, sondern durch Temperaturwechsel induzierte Wärmespannungen
bewirken eine Werkstoff- und Bauteilschädigung. Wärmespannungen sind thermisch induzierte,
mechanische Spannungen. Sie entstehen, wenn die physikalisch bedingte Volumenänderung in ei-
nem Festkörper behindert wird. Bei totaler Dehnungsbehinderung ist der Betrag der thermisch indu-
zierten Spannung 6, proportional dem E-Modul, der Temperaturdifferenz AT und dem Ausdeh-
nungskoeffizienten &:
Sin E(T) “Sn E(T) „a(T) AT
Inhomogene Temperaturverteilungen in einem Bauteil induzieren also zwangsläufig thermische
Spannungen, weil wärmere Bereiche durch kältere in der Ausdehnung behindert werden. Eine Deh-
nungs- oder Kontraktionsbehinderung kann neben betriebsbedingten auch konstruktive oder mi-
krostrukturelle Ursachen haben [3].
Durch eine Temperaturwechselbeanspruchung kann es zu plötzlichem Versagen, aber auch zu einer
langsamen Entstehung und Ausbreitung von Rissen kommen, welche sich in keiner Weise durch
Spannungsanalysen erklären lassen. Daher muß zwischen "Thermoschock" und "Thermischer Er-
müdung" unterschieden werden. Beide Begriffe gelten sowohl als Bezeichnung für den Schädi- Ir
gungsmechanismus als auch für die Art der Beanspruchung. E
4
Ein Zhermoschock wird durch große Temperaturgradienten verursacht. Daraus resultieren Wärme- fü
spannungen, die die Werkstoffestigkeit überschreiten und zur Rißinitiierung mit anschließender in- W
stabiler Rißausbreitung und Bruch bzw. Rißstopp führen. Durch einen Thermoschock kommt es zur ke
Rißbildung, wenn kein Abbau von Spannungen durch plastische Verformung möglich ist.
R
Thermische Ermüdung entsteht durch wiederholtes Durchlaufen kleinerer Temperaturgradienten. S1
Die daraus resultierenden Wärmespannungen führen im Laufe der thermozyklischen Beanspru- P:
chung zu Werkstoffermüdung und nachfolgend zu Rißeinleitung und unterkritischem Rißwachstum. Ss
S
st‘
; sc
3._Laser-Temperaturwechselprüfung BETA hı 9 L:
Homogene und heterogene metallische und ke- HORSENENTOT ADS st
ramische Werkstoffe wurden mit Hilfe eines Dan Hilfsmedium fü
Nd-YAG-Lasers Temperaturwechseln ausge- Su
setzt (Bild 3). Thermische Ermüdung wurde mit ws
20 J-Laserpulsen bei einer Pulsfrequenz von 3
Hz (15 ms Pulsdauer, 6 mm Brennfleckdurch- [Seipstabsehreckung
messer, 10-12.500 Zyklen) simuliert [4]. Einige
Untersuchungsergebnisse werden im folgenden 3 |
; ET
vorgestellt. .
‘ Druckspannung im Brennfleck Zugspannung
Bild 3: Laserinduzierte Temperaturwechsel
3.1 _Rißentstehung und Rißwachstum
Bei einer monotonen Beanspruchung verursachen zum Beispiel sich kreuzende Versetzungen, Ver-
setzungsaufstau an Korngrenzen, Kerben, Poren und Einschlüsse Spannungskonzentrationen, wel-
che zu Rißbildung führen können. Unter zyklischer Beanspruchung gehen der Rißentstehung Ver-
und Entfestigungsprozesse voraus. Thermische Ermüdung durch plastische Verformung verursacht
die Rißbildung immer dann, wenn das Verformungsvermögen lokal erschöpft ist.
