Vorlesung Eigenspannungen in Bauteilen und Werkstoffen Einfhrung 0

Vorlesung Eigenspannungen in Bauteilen und Werkstoffen Einführung

0. Inhalt/Organisatorisches insgesamt: - 7 Termine Vorlesung - 7 Termine Übung - 7 Termine Praktikum real: - 12 Vorlesungstermine (mo. 0915 -1045 Uhr), meist 2/3 Theorie, 1/3 Übung - 4 Praktikumstermine - Einführung Röntgendiffraktometrie (Eigenspannungsmessung, Standardprobe) - Eigenspannungsmessung – Datenauswertung (2 x) - Auswertung Eigenspannungen (elastische Anisotropie) - Diskussion der Übungsaufgaben in Vorlesung (Rechnung z. T. eigenverantwortlich) Folienskript: http: //www. tu-freiberg. de/mk/Dokumente/Eigenspannungen/ 2

0. Inhalt/Organisatorisches Inhalt: 1. Eigenspannungen (Ursachen, Auswirkungen, Einteilung, Messung, Beispiele, …) (1) 2. Grundlagen der Elastizitätstheorie (tensorielle Eigenschaften von Kristallen) (2) 3. Röntgenographische Verfahren (3 -9) a) Messanordnungen (3) b) Bestimmung der Dehnungen (4) c) Beugungsverfahren – Euler-Wiege I (5) d) Beugungsverfahren – Euler-Wiege II (6) e) Beugungsverfahren – streifender Einfall (7) f) Vom Dehnungstensor zum Spannungstensor (8) g) Fehler bei der Spannungsbestimmung (9) 4. nicht-röntgenographische Verfahren (10 -11) a) Stokes-Geichung (10) b) Ultraschalltechnik (11) c) optische Methoden (12) 5. Fragestunde (13) Literatur: Noyan, Cohen, Residual Stress, Springer Hauk, Residual Stress Analysis by Nondestructive Methods, Elsevier Welzel, J. Appl. Cryst. 38 (2005) 1 3

1. Eigenspannungen 4

1. Eigenspannungen 5

1. Eigenspannungen 6

1. Eigenspannungen Cu W Spannungsabbau in den Cu-Schichten 7

1. Eigenspannungen 8

1. Eigenspannungen 9

1. Eigenspannungen Definitionen: - sind Spannungen in einer Probe/einem Bauteil, die… - …sich im thermischen Gleichgewicht befinden - …keinen äußeren Kräften ausgesetzt sind - Eigenspannungen stehen mit sich selbst im Gleichgewicht - S Kräfte einer beliebigen Schnittebene = 0 - S der Schnittmomente = 0 - Eigenspannungen sind Ausdruck einer strukturellen Inhomogenität, durch… - inhomogene Volumenänderung - inhomogene elastisch/plastische Veformung - Konzentrationgradienten - inhomogene thermische Ausdehnung -. . 10

1. Eigenspannungen Eingriffe in den Eigenspannungszustand haben Änderungen des Dehnungszustandes zu Folge Gestaltänderung / Verzug 11

1. Eigenspannungen Anwendungen (positive Effekte) - Spannbeton Kugelstrahlen chemische-thermische Oberflächenbehandlung (nitrieren, carburieren, …) Druckspannungen in Verschleißschutzschichten negative Auswirkungen: - Härterisse Verformung/Verzug von Bauteilen Abkühlspannungen Schweißnahtrisse 12

1. Eigenspannungen Ursachen für Eigenspannungen: Abkühlung ohne Phasenumwandlung Abkühlung mit Phasenumwandlung Oberflächenmodifikation durch Kugelstrahlen Unterschiedliches Verformungsverhalten in Verbundwerkstoffen unterschiedliche Dehnung des Werkstoffes beim Walzen Schweißeigenspannungen 13

1. Eigenspannungen Eigenspannungsentstehung: a härter als b ii) lose Verbindung iii) feste Verbindung 14

1. Eigenspannungen Eigenspannungsabbau: - thermische Relaxation - gezielte plastische Deformation (Recken, Dressieren, …) - zyklische Beanspruchung 15

1. Eigenspannungen Wirkung von Eigenspannungen: - sind durch Fließspannung bzw. Bruchspannung begrenzt - Überlagern sich mit den Lastspannungen (Beanspruchung = S Last- und Eigenspannungen) - lokale Änderung spannungsabhängiger physikalischer Eigenschaften (Doppelbrechung, magnetische Eigenschaften, Piezoelektrizität, …) - Spannungsrisskorrosion - Lebensdauerbeeinflussung von Bauteilen 16

1. Eigenspannungen Wirkung von Eigenspannungen: - sind durch Fließspannung bzw. Bruchspannung begrenzt - Überlagern sich mit den Lastspannungen (Beanspruchung = S Last- und Eigenspannungen) - lokale Änderung spannungsabhängiger physikalischer Eigenschaften (Doppelbrechung, magnetische Eigenschaften, Piezoelektrizität, …) - Spannungsrisskorrosion - Lebensdauerbeeinflussung von Bauteilen 17

1. Eigenspannungen Einteilung von Eigenspannungen: - gängigste Einteilung wäre nach ihrer Reichweite - Eigenspannungen sind ortsabhängig - für das Spannungsgleichgewicht muss gelten: 18

1. Eigenspannungen Einteilung von Eigenspannungen: - aber: - damit sind die Eigenspannungen abhängig von der Größe des betrachteten Volumenelementes! 19

1. Eigenspannungen Einteilung von Eigenspannungen: - Spannungen sind tensorielle Größen: Mittelwert eines Tensors für alle Kristallite in der Probe 20

1. Eigenspannungen Einteilung von Eigenspannungen: - Eigenspannungen I. Art: „Makroeigenspannungen“ - Mittelung über größere Probenbereiche/gesamte Probe/Bauteil - erzeugen Linienverschiebungen in der Röntgenbeugung - Eigenspannungen II. Art - Mittelung über ein Volumen, welches circa dem Kornvolumen entspricht - Eigenspannungen III. Art - Mittelung über sehr kleine Bereiche innerhalb der Körner - sind in allen Werkstoffen vorhanden Die Einteilung ist physikalisch nicht eindeutig begründet! 21

1. Eigenspannungen Einteilung von Eigenspannungen: 22

1. Eigenspannungen Einteilung von Eigenspannungen: 2 -phasiger Werkstoff 23

1. Eigenspannungen Einteilung von Eigenspannungen: 24

1. Eigenspannungen 25

1. Eigenspannungen Realstrukturanalyse 26

1. Eigenspannungen Analyse von Eigenspannungen in kristallinen Materialien mittels Röntgenbeugung - Bestimmung des gesamten Spannungstensors/Dehnungstensors - Möglichkeit der Untersuchung von Spannungsgradienten - zur Spannungsbestimmung werden Linienpositionen bestimmt (viele Nebeninformationen einer Spannungsmessung) - kompakte Materialien und Schichtwerkstoffe - nur elastische Anteile 27

1. Eigenspannungen 28

1. Eigenspannungen Ursachen von Eigenspannungen: 29

1. Eigenspannungen Einteilung von Eigenspannungen: Additivität der Eigenspannungsarten: Gleichgewichtsbedingung für mehrphasige Werkstoffe: sowie etwaige externe Belastungen 30