Quelltext der Seite Eigenspannung

'''Eigenspannungen''' sind [[mechanische Spannung]]en, die in einem [[Körper (Physik)|Körper]] herrschen, an dem keine äußeren [[Kraft|Kräfte]] angreifen<!--siehe talk-- und der sich im [[Thermisches Gleichgewicht|thermischen Gleichgewicht]] befindet-->. Sie können durch [[plastische Verformung]]en, [[inhomogen]]es [[Gefüge (Werkstoffkunde)|Gefüge]] oder [[Thermische Energie|thermische Einflüsse]] verursacht werden.

Mit den Eigenspannungen eng verbunden sind [[Verformung]]en (z.&nbsp;B. [[Verzug (Mechanik)|Verzug]] beim [[Schweißen]]).

== Einteilung ==
=== Nach Ausdehnung ===
* Eigenspannungen 1.&nbsp;Art ([[makroskopisch]], über mehrere Körner gemittelt)
* Eigenspannungen 2.&nbsp;Art (über einen [[Kristallit]] bzw. ein Korn gemittelt, als Abweichung der Eigenspannungswerte erster Art)
* Eigenspannungen 3.&nbsp;Art (innerhalb eines Korns, als Abweichung der Eigenspannungswerte erster und zweiter Art)

=== Nach Zeitverlauf ===
* ''temporäre'' Spannungen treten zeitweise auf (z.&nbsp;B. bei der schnellen, inhomogenen Abkühlung oder Trocknung) und verschwinden danach vollständig
* ''latente'' Spannungen entstehen durch temporäre Spannungen, wenn dabei die [[Streckgrenze]] des Materials überschritten wird; typische Beispiele: Eigenspannung in [[Glas]]<nowiki/>gegenständen und in [[Einscheiben-Sicherheitsglas]]. Latente Spannungen können durch [[Tempern]] bzw. [[Spannungsarmglühen|Spannungsfreiglühen]] beseitigt werden.
* ''permanente'' Spannungen entstehen in [[Werkstück]]en mit inhomogenem [[Wärmeausdehnungskoeffizient]]en bei der Abkühlung; ein Beispiel ist die Eigenspannung einer [[Glasur (Keramik)|Glasur]]<nowiki></nowiki>schicht auf [[Keramik]]. Permanente Spannungen können ''nicht'' durch Tempern beseitigt werden.

== Ursachen ==
Die Ursachen von Eigenspannungen können thermisch, physikalisch oder chemisch induziert sein (Beispiele):
* [[Thermische Spannung (Mechanik)|Thermisch induzierte Eigenspannungen]] können dadurch entstehen, dass sich der Rand und der Kern eines Werkstücks nach entsprechender Erwärmung unterschiedlich schnell abkühlen (z.&nbsp;B. bei [[Gießen (Metall)|Guss]]<nowiki/>werkstücken). Durch die schnellere Abkühlung und [[Schwindung|Schrumpfung]] der randnahen Bereiche kann es dort zu Zugspannungen und zu einer lokalen Überschreitung der Streckgrenze kommen und damit zu plastischer Verformung. Nach erfolgtem Temperaturausgleich zwischen Rand und Kern bilden sich Druckeigenspannungen im Randbereich (Eigenspannung 1.&nbsp;Art).
* durch [[Phasenumwandlung]]en oder Bildung von Ausscheidungen kann es zu lokalen Gefügeverspannungen kommen (Eigenspannung 2.&nbsp;Art).
* [[Versetzung (Materialwissenschaft)|Versetzungen]] sind von einem Spannungsfeld umgeben (Eigenspannung 3.&nbsp;Art).

(Druck-)Eigenspannungen können auch durch [[Diffusion]]svorgänge hervorgerufen werden, wenn die inhomogene Einlagerung oder das Austreiben von [[Fremdstoff]]en, die im Festkörper [[Lösung (Chemie)|gelöst]] sind, zu Volumenänderungen führt. Gleiches ist bei [[Ionenimplantation]] zu beobachten.

Starke Eigenspannungen sind auch in [[Dünne Schicht|dünnen Schichten]] zu beobachten<ref>http://www.uni-stuttgart.de/imtk/lehrstuhl1/Scripte/Pr-eds.pdf Eigenspannungen in Dünnen Schichten</ref>.

== Ermittlung ==
Da Eigenspannungen eine [[intrinsisch]]e Größe darstellen, ist eine [[Messung]] im klassischen Sinne nicht möglich. Vielmehr werden Begleiterscheinungen gemessen, welche in die zugrunde liegende Eigenspannung überführt werden können.

=== Zerstörende Methoden  ===
Bei den zerstörenden Methoden (Sägeschnittverfahren, Bohrlochmethode,<ref>https://www.stresstech.de/de/produkte/Bohrlochgerät/Bohrlochmethode/ techn. Anwendung der Bohrlochmethode mit Electronic Speckle Pattern Interferometry (ESPI)</ref> Ringkernmethode) wird eigenspannungsbehaftetes Material mechanisch (i.&nbsp;d.&nbsp;R. mit [[Fräsen|Hochgeschwindigkeitsfräsen]]) oder mittels [[Elektroerosion]] abgetragen. Die dabei freigesetzte Eigenspannung führt zu einer Deformation des umliegenden Materials, welche i.&nbsp;d.&nbsp;R. mit [[Dehnungsmessstreifen]] gemessen wird. Durch geeignete [[Korrelation]]en können diese Verformungen in die zugrunde liegende Eigenspannung umgerechnet werden.<br/>Die aktuelle Forschung richtet sich auf Verfahren, welche die Dehnung [[optisch]] ermitteln (z.&nbsp;B. digitale [[Bildkorrelation]] oder [[digitale Holografie]]) und den Materialabtrag durch [[Laserablation]] substituieren.

=== Zerstörungsfreie Methoden ===
Bei den zerstörungsfreien Methoden (z.&nbsp;B. [[Röntgenstrahlung|Röntgenografische]] Systeme, [[Elektronenrückstreubeugung]]) wird die [[Verzerrungstensor|Verzerrung]] des [[Metallische Bindung|Metallgitters]] infolge der herrschenden Spannung ermittelt. Hierbei werden energiereiche Röntgenstrahlen in das zu untersuchende Werkstück eingebracht. Die [[Reflexion (Physik)|Reflexion]] der Strahlung äußert sich dann als spezifisches [[Beugung (Physik)|Diffraktions]]<nowiki/>muster, welches direkte Rückschlüsse auf die Höhe der zugrunde liegenden Eigenspannungen ermöglicht. Dieses Verfahren ist zunächst nur auf sehr oberflächennahe Bereiche begrenzt, bei Stahl liegt die Informationstiefe im Bereich einiger [[Meter #Mikrometer|Mikrometer]].<br/>Durch [[elektrochemisches Abtragen]] dünner Schichten und geeignetes Rückrechnen der dabei ausgelösten Spannungen können jedoch auch Eigenspannungs-Tiefenverläufe ermittelt werden. Energiereichere Verfahren ([[Neutronenquelle]]n) erlauben größere Eindringtiefen.

Eigenspannungen in [[dielektrisch]]en bzw. [[Transparenz (Physik)|durchsichtig]]en Materialien können anhand der [[Spannungsdoppelbrechung]] ermittelt werden. Siehe hierzu auch [[Spannungsoptik]]. Dieses Verfahren ist ebenfalls zerstörungsfrei.

== Beispiele, Auswirkungen, Anwendungen ==
Schweißeigenspannungen führen zum Verzug der Bauteile. Man versucht zwar, dem zu begegnen, indem man beispielsweise [[Symmetrie (Geometrie)|symmetrisch]] gelegene Blindnähte anbringt – die [[festigkeit]]s<nowiki/>verringernden Nachteile bleiben jedoch erhalten. U.&nbsp;a. besonders sicherheitsrelevante Schweißverbindungen wie in [[Kernkraftwerk]]en oder großen [[Gasleitung]]en werden nach dem Schweißen spannungsarm getempert.

[[glasur (Keramik)|Glasur]]en können durch Eigenspannungen Risse erleiden – teilweise ist das aus dekorativen Gründen erwünscht ([[Krakelee]]).

[[Dünne Schichten]] geraten während des Herstellungsprozesses teilweise unter sehr hohe Eigenspannungen. 

Zugeigenspannungen an der Oberfläche wirken sich negativ auf die [[Dauerfestigkeit]] eines Bauteils aus. Dagegen bewirken oberflächennahe Druckspannungen eine Erhöhung der [[Schwingfestigkeit]], da an der Oberfläche vorliegende An- und Mikrorisse überdrückt sind und sich nicht ausbreiten können.

Um Oberflächen zur Festigkeitssteigerung unter Druckspannung zu bringen, werden Metall-Oberflächen oft [[Kugelstrahlen|kugelgestrahlt]]. [[Schweißnaht]]<nowiki/>übergänge werden mehr und mehr mit dem hochfrequenten Hämmerverfahren HiFIT ([[High Frequency Impact Treatment]]) behandelt. Dies wirkt sich günstig auf die Ermüdungsfestigkeit ([[Materialermüdung]]) aus.

Glasoberflächen können hierzu chemisch behandelt werden (chemisch gehärtetes bzw. vorgespanntes Glas) oder sie werden (wie im Falle des [[Einscheiben-Sicherheitsglas]]es) bei der [[Erstarrung]] im noch weichen Zustand aus Luftdüsen angeblasen, um latente thermische Eigenspannungen zu erzeugen.

Bei [[Spannbeton]] nimmt die Stahlkomponente die Zugspannungen auf, um den [[Beton]] davor zu schützen.

== Siehe auch ==
* [[Versetzungsdichte]]
* [[Vorspannung (Mechanik)]]

== Einzelnachweise ==
<references />

[[Kategorie:Mechanische Spannung]]