Messung des Kriech- und Relaxationsverhaltens von Metallbauteilen

Geprüfte Lebenserwartung

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Hydro Aluminium Rolled Products ermittelt im Labor in Bonn das Kriech- und Relaxationsverhalten von Aluminiumlegierungen mit der Zeitstandprüfmaschine Kappa von Zwick Roell Bild: Hydro Aluminium Rolled Products
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Mechanische und thermische Belastungen von Werkstoffen führen auf Dauer zu Strukturveränderungen. Folge kann der komplette Ausfall des Bauteils sein – etwa im Motorblock. Kriechprüfmaschinen schaffen hier Sicherheit, weil sich mit ihnen neben Zeitstand- und Relaxationsversuchen auch Rissfortschritts- und Rissaufweitungsversuche durchführen lassen.

Werkstoffe verhalten sich bei langanhaltender, statischer Belastung unter erhöhten Temperaturen anders als bei gleicher Belastung unter Raumtemperatur. So kommt es neben der elastischen Dehnung zu einer irreversiblen, plastischen Dehnung, die letztendlich zum Bruch des Bauteils führen kann.

Dieser Effekt bei einer Beanspruchung unter hohen Temperaturen lässt sich zwar durch gezielte Materialzusammensetzungen verringern, aber nicht verhindern. Bauteile unter Kriechbedingungen haben daher eine begrenzte Lebensdauer. Umso wichtiger ist eine umfangreiche und systematische Langzeituntersuchung für die konstruktive Auslegung und die Ermittlung der sogenannten Restlebensdauer von Bauteilen, damit sie zuverlässig ihren Dienst verrichten. Typische Beispiele sind Turbinenschaufeln in Kraftwerken und Triebwerken.

Die Bestimmung des Kriechverhaltens von Werkstoffen erfolgt üblicherweise durch Zeitstandversuche. Im einfachsten Fall wird dabei eine Zugprobe bei erhöhter Temperatur mit einer konstanten Kraft belastet und ihre Verlängerung in Abhängigkeit von der Prüfzeit sowie die Zeit bis zum Probenbruch erfasst. Das Ergebnis ist eine Kriechkurve.

In der Anfangsphase der Belastung hat sie zunächst einen degressiven Verlauf (Primäres Kriechen). Dann geht sie in einen Bereich über, der sich durch eine konstante, minimale Kriechgeschwindigkeit auszeichnet. Das ist der gesuchte Bereich, der zugleich den größten Anteil der Gesamtlebensdauer einer Probe ausmacht. Danach sinkt der Kriechwiderstand wieder und es kommt zu einer beschleunigten Dehnung, die zu Rissen im Material und schließlich zum Bruch der Probe führt.

Aus der Kriechkurve lässt sich für jeden Werkstoff – bei gegebener Temperatur und Belastung – der Zeitraum der gesuchten minimalen Kriechgeschwindigkeit ermitteln. So ist beispielsweise für Turbinenschaufeln in jedem Düsentriebwerkstyp genau vorgegeben, um wieviel sie sich bei einer bestimmten Betriebstemperatur und festgelegter Laufzeit verlängern dürfen.

Ein weiterer Effekt, der bei erhöhter Temperatur eintritt, ist die Relaxation von Werkstoffen. Im Gegensatz zu Kriechversuchen, die mit konstanter Last arbeiten, wird bei Relaxationsversuchen die Dehnung über die gesamte Versuchsdauer konstant gehalten und der Kraftverlust gemessen. Die Relaxation bewirkt, dass etwa eine Schraube, die zu Beginn ihres Einsatzes bis zu einer bestimmten elastischen Dehnung vorgespannt wurde, diese Vorspannung mit der Zeit verliert. Die Qualität einer formschlüssigen Verbindung ist nur so gut wie die durch eine Schraube erzeugte Vorspannkraft.

Prüfung von Aluminiumlegierungen

Hydro Aluminium Rolled Products in Bonn nutzt eine Kappa-Prüfmaschine von Zwick Roell, um das Kriech- und Relaxationsverhalten von Werkstoffen besonders effizient prüfen zu können. Denn auch Aluminium wird wie viele Werkstoffe nicht nur bei Raumtemperatur eingesetzt. Kein moderner Motor entsteht ohne Motorblock und Zylinderkopf aus Aluminiumlegierungen. Das gleiche gilt für Wärmetauscher – egal ob für die Motorkühlung, Klimaanlage, Ölkühler oder Ladeluftkühler.

Die Prüfmaschine aus der Kappa-Serie ist ebenfalls für Zeitstandversuche ausgelegt. Ein Lastrahmen mit Doppelspindel-Antrieb für höchste Präzision in der Kraftregelung und die Führung über vier Stahlsäulen sorgt für eine präzise axiale Belastung und höchste Beständigkeit. Die Prüfmaschine erlaubt eine konstante Geschwindigkeit der Fahrtraverse von 1 µm/h bis 100 mm/min mit einer Abweichung von 0.1 Prozent.

Da die Dehnung bei der Relaxationsmessung konstant gehalten werden muss, ist eine hochpräzise Messung direkt an der Probe bei erhöhter Temperatur nötig. Hierzu hat sich Hydro Aluminium für den Extensometer Videoxtens Array HP von Zwick Roell entschieden.

Dieser misst Zug- und Druckverformungen berührungslos und hochauflösend an allen Arten von Werkstoffen und ist sowohl für Prüfungen an Rund- als auch an Flachproben geeignet. Die Messung der Längenänderung erfolgt von außerhalb der Temperierkammer. In Vorversuchen wurde ermittelt, dass dieses System hinsichtlich Präzision und Langzeitstabilität optimal ist. Geprüft werden Flachproben aus Aluminium mit einer Gesamtlänge von 250 mm und einem Querschnitt von 20 x 1mm sowie M10 und M12 Gewindekopfproben.

Der Videoxtens Array HP erkennt Messmarken automatisch, rechnet ihre Verschiebungen von Bild zu Bild in eine Längenänderung um und überträgt sie an die Mess-, Steuer- und Regelelektronik. Die Array-Variante ist speziell für einen großen Messweg bei gleichzeitig sehr hoher Auflösung ausgelegt. Hierzu werden die überlappenden Sichtfelder von zwei oder mehr Kameras zu einem großen Sichtfeld zusammengefasst und Markierungen, die den Bereich einer Kamera verlassen, automatisch von der nächsten weiterverfolgt.

Zeitstandprüfmaschinen von Zwick Roell sind für eine breite Palette von Anwendungen ausgelegt – ob elektromechanisch für höchste Präzision in der Kraft- und Dehnungsregelung oder über einen Hebelarm für eine konstante Kraftaufbringung in Zeitstandversuchen von über 10.000 Stunden. Ergänzt wird das Portfolio durch Heizsysteme sowie kontaktierende und nicht-kontaktierende Extensometer. ■


Der Autor

Dr. Peter Stipp

im Auftrag von

Zwick Roell

www.zwickroell.com



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