18.20: Eigenspannungen

Auch nach der Entfernung des ursprünglichen Spannungsauslösers bleiben in einer Struktur Restspannungen bestehen. Dieses Phänomen entsteht häufig durch unterschiedliche plastische Verformungen in verschiedenen Teilen einer Struktur. Stellen Sie sich einen Stab vor, der über seine Streckgrenze hinaus gedehnt ist. Aufgrund der bleibenden Verformung wird es seine ursprüngliche Länge nicht wieder erreichen. Selbst nach der Entlastung verliert der Stab aufgrund ungleichmäßiger plastischer Verformungen nicht vollständig an Spannung, was zu Restspannungen führt. Die Berechnung dieser Spannungen in Strukturen ist komplex. Faktoren wie Temperaturschwankungen beim Schweißen können zu plastischen Verformungen führen, die zu einer Verringerung der Elastizität und der Entstehung von Eigenspannungen führen.

Beispielsweise erwärmt sich ein an eine Platte geschweißter Stopfen während des Prozesses erheblich, wodurch seine Spannung verringert wird. Wenn es nach dem Schweißen abkühlt, erhöht sich seine Elastizität, was zu einem Nachgeben bei konstantem Spannungsniveau führt. Dies führt zu einer Eigenspannung nahe der Streckgrenze des Stahls. Auch beim Abkühlen von Metallen nach dem Gießen oder Warmwalzen entstehen Eigenspannungen. Die äußeren Schichten kühlen schneller ab als der innere Kern, gewinnen schneller wieder an Steifheit und führen zu Zugeigenspannungen im Kern und Druckeigenspannungen in den äußeren Schichten. Diese Spannungen können erheblich sein und erfordern manchmal eine Beseitigung durch erneutes Erhitzen der Probe und langsames Abkühlen. Das Verständnis und die Bewältigung von Eigenspannungen sind bei technischen Konstruktions- und Herstellungsprozessen von entscheidender Bedeutung, um die Zuverlässigkeit und Haltbarkeit von Strukturen und Komponenten sicherzustellen.

Wenn eine Rute über ihre Streckgrenze hinaus gedehnt wird, verformt sie sich dauerhaft und erreicht nicht mehr ihre ursprüngliche Länge.

Die bei der Belastung entstehenden Spannungen werden auch nach der Entlastung durch plastische Verformungen nicht vollständig abgetragen. Diese Restspannungen werden als Eigenspannungen bezeichnet.

Stellen Sie sich einen kleinen Stecker vor, der mit einer großen Platte verschweißt ist. Während des Schweißens steigt die Temperatur des Steckers deutlich an, wodurch sowohl der Elastizitätsmodul als auch die Spannung reduziert werden.

Sobald der Stopfen nach dem Schweißen abkühlt, führt dies zu einer Erhöhung des Elastizitätsmoduls, und das Fließen erfolgt bei einem ziemlich konstanten Spannungsniveau, wodurch eine Eigenspannung im Stopfen und in der Schweißnaht entsteht.

Auch das Abkühlen von gegossenen oder warmgewalzten Metallen verursacht Eigenspannungen. In diesen Fällen kühlen die äußeren Schichten schneller ab als der innere Kern, wodurch sie schneller ihre Steifigkeit wiedererlangen.

Bei der Rückkehr auf Raumtemperatur zieht sich der innere Kern stärker zusammen als die äußeren Schichten, was zu Restlängszugspannungen am inneren Kern führt.

Die äußeren Schichten entwickeln Druckeigenspannungen. Große Eigenspannungen werden durch Nacherwärmung und langsames Abkühlen beseitigt.

• Residual Stress - Strains left within a structure post the removal of applied forces.
• Compressive Residual Stress - Residual stress that may lead to contraction or shortening of the material's structure.
• Tensile Residual Stress - The stress left in the material that could potentially cause it to stretch or elongate.
• Residual Strain - Deformation induced in materials due to residual stress, unaffected by external forces.
• Residual Stress in Welding - It's the consequent of temperature changes in the welding process causing deformation in the material.

• Define Residual Stress - Understand its occurrence and effects in the structural behavior (e.g., residual stress in steel).
• Contrast Compressive vs Tensile Residual Stress - Identify how these stresses affect a material’s form and limits (e.g., residual tensile stress).
• Explore Welding Examples - Show how welding introduces residual stress in structures (e.g., residual stress in welding).
• Explain Residual Strain - Briefly describe the correlation between residual stress and deformation in materials.
• Apply in Engineering Context - Discuss the significance and the management of residual stresses in engineering design and manufacturing processes.

• [Question 1] What is residual stress, and how does it relate to compressive and tensile stress?
• [Question 2] Are residual stress and strain interconnected?
• [Question 3] How is residual stress manifested in welding examples?

• Engineering Students - Understanding of residual stresses enhances their knowledge in structural behavior and design.
• Professors - A clear explanation of residual stress helps teach advanced engineering concepts.
• Structural Engineers - Value in stress analysis and optimizing design to increase the lifespan of structures.
• Metal Fabrication Enthusiasts - Insights into how welding practices can produce or counter residual stress for better product performance.