Was ist Kriechverformung? Ursachen und Vorsichtsmaßnahmen

Kriechermüdung oder Deformation

Als Ingenieur oder Hersteller sind Sie mit dem Materialverhalten vertraut. Materialien verformen sich oft. Sie haben möglicherweise regelmäßig mit Problemen zu kämpfen. Wissen Sie, was dieses Verhalten verursacht? KriechverformungDaher ist es wichtig zu verstehen, was Kriechverformung ist und wie man ihr unerwartetes Auftreten verhindern kann.

Kriechen ist ein schleichender Prozess, der sich meist im Laufe der Zeit vollzieht. Seine Veränderung erfolgt schleichend. Er betrifft häufig Metalle wie Stahl und Polymere. Diese langsame, kontinuierliche Verformung kann Sie überraschen. Mit dem richtigen Wissen können Sie ihr jedoch zuvorkommen.

Darüber hinaus ist das Lesen und Interpretieren einer Kriechdiagramm ist eine der wichtigsten Fähigkeiten, die es zu entwickeln gilt. Lassen Sie uns tiefer auf Kriechverformung eingehen, was sie ist und wie Sie sie vermeiden können.

Was ist Kriechverformung?

Kriechverformungseffekt

Kriechverformung ist ein schleichendes Phänomen. Im Gegensatz zu mechanischer Verformung tritt sie auf, wenn ein Material über einen längeren Zeitraum konstanter Belastung ausgesetzt ist. Sie ist zwar nicht sofort erkennbar, kann aber dennoch zu Materialversagen führen. Ihre Entstehung hängt von den Materialeigenschaften, der Temperatur, der Nutzung und den Belastungsbedingungen ab.

Stellen Sie sich einen Arbeiter vor, der seine Metallwasserflasche mit Werkzeug ganz unten in seinem Rucksack verstaut. Dieser Gegenstand bleibt den ganzen Tag über unter anderen Werkzeugen verborgen. Die Flasche sah im Neuzustand normal aus, neigt aber im Laufe der Nutzung zu Verformungen. Deckel und Boden des Metallgegenstands können ihre ursprüngliche Form verändern. Der Biegeprozess verläuft allmählich, ohne plötzliche oder unmittelbare Veränderung. Durch den anhaltenden Druck schwerer Werkzeuge und des flüssigen Inhalts wird das Metall allmählich weicher. 

Anzeichen einer Kriechverformung

Anzeichen einer Kriechverformung

Durch frühzeitiges Erkennen von Kriecherscheinungen können Sie Materialverzügen vorbeugen. Kriechen tritt bei vielen Materialarten auf, wenn sie starker Beanspruchung ausgesetzt sind und diese aushalten. Im Allgemeinen Stahllegierung Bei Temperaturen über 40 % seines Schmelzpunkts kommt es zu Kriechverformungen. 

Beton weist andere Eigenschaften als alle anderen Baustoffe auf. Die grundlegende Funktion der Betonmischung hängt vom Anteil der Zuschlagstoffe ab. Der Entstehungsprozess von Kriechschäden umfasst Temperaturschwankungen und Materialspannungen. Die langwierige Entwicklung schädigt Betonbauteile und deren Oberflächeneigenschaften dauerhaft.

Das Phänomen des Kriechens und Verziehens betrifft in der Regel Polymere, Nylon, ABS, Polyethylen und viele weitere Materialien (Erfahren Sie mehr über verschiedene Kunststoffarten für die CNC-Bearbeitung)Superlegierungen stellen eine wirksame Methode dar, den Kriecheffekt zu verhindern. Darüber hinaus weisen technische Werkstoffe eine höhere Beständigkeit gegen Kriechverformung auf, da sie ihre Festigkeit auch unter Hochdruckbedingungen bewahren.

Kriechen im 3D-Druck

Wärmekriechen beim 3D-Druck

Kriechen ist nicht nur ein Problem in der traditionellen Fertigung. Auch im 3D-Druck tritt es häufig auf. Beim FDM-Druck entsteht Kriechverformung durch viskoelastische Entspannung unter Belastung, wodurch sich die Molekülketten verschieben. 

Ein weiteres Problem ist die Wärmeentwicklung. Diese entsteht, wenn Wärme abrupt in das gedruckte Objekt gelangt. Die Erwärmung des Materials führt zu Verformungen, insbesondere wenn die Wärme Bereiche erreicht, die nicht beabsichtigt waren.

Was ist die stationäre Kriechrate?

Stationäre Kriechgeschwindigkeit

Kriechende Materialien reagieren im Laufe der Zeit in verschiedenen Stadien auf Belastungen. Die stationäre Kriechgeschwindigkeit ist ein kritisches Stadium. In dieser Phase weist das Material eine gleichmäßige Verformung auf und behält eine konstante Änderungsgeschwindigkeit bei, ohne zu- oder abzunehmen.

Das Material hat seine schnelle Kriechphase abgeschlossen, die den Prozess eingeleitet hat. Es weist nun ein Gleichgewicht und eine stabile Änderungsrate auf. Die ständige langsame Bewegung in dieser Phase führt wahrscheinlich zu Materialversagen, wenn die Spannung über längere Zeit anhält.

Beispielsweise ist ein Metallrohr in einem Hochtemperaturkessel einem konstanten Innendruck ausgesetzt. Durch stationäres Kriechen dehnt es sich im Laufe der Jahre allmählich aus und bricht schließlich. Wenn das Material im stationären Zustand kontinuierlicher Belastung ausgesetzt ist, kann es zusätzlich bruchanfällig werden.

Was sind die typischen Creep-Phasen?

Stadien der Kriechverformung

Kriechverformung erfolgt in der Regel stufenweise. Jede Stufe gibt Aufschluss über die Veränderung des Materialverhaltens. Um den Prozess besser zu verstehen, schlüsseln wir die einzelnen Stufen auf:

Primärphase (vorübergehendes Kriechen)

Dies ist die erste Phase, nachdem eine Belastung auf das Material ausgeübt wurde. Das Material erfährt eine elastische Phase. Während dieser Phase verlangsamt sich die Kriechgeschwindigkeit. Das Material beginnt KaltverfestigungEinfacher ausgedrückt: Unter Druck wird es härter, wodurch die Verformung zunächst langsamer erfolgt.

Sekundärstufe (stationäres Kriechen)

Nachdem das Material die Primärstufe durchlaufen hat, gelangt es in die Sekundärstufe, Rief stationäres KriechenDiese Phase ist die längste des Kriechens. Das Material verformt sich weiter, jedoch mit gleichmäßigerer Geschwindigkeit. Hier beginnt das Material zu erweichen, was den Verformungsprozess unterstützt. Sie müssen diese Phase genau beobachten, da sie wertvolle Daten für die Konstruktion von Strukturen oder Materialien liefert, die Langzeitbelastungen ausgesetzt sind.

Tertiärstufe

In der letzten Phase des Kriechens kommt es zum Ausrasten. Hier bricht die innere Struktur des Materials zusammen, und es kommt zu Ausfällen. In dieser Phase Hohlräume, Mikrorisseund Trennung der Korngrenzen Es kann zu Rissen kommen, die zum Bruch führen. Das Material hält der Belastung nicht mehr stand und ein Versagen ist mit der Zeit unvermeidlich.

Arten der Kriechverformung

Kriechen ist kein allgemeingültiger Prozess. Während des Kriechens treten verschiedene Mechanismen auf, die mehrere unterschiedliche Prozesse umfassen, deren Aktivierung spezifische Bedingungen erfordert. Die wichtigsten Kriechvorgänge zeigen sich in drei primären Verformungsformen. Lassen Sie uns dies erklären.

Nabarro-Heringskriechen

Nabarro-Hering-Kriecheffekt

Hochtemperaturbetrieb in Kombination mit minimaler Spannung führt zur Entwicklung der Nabarro-Herring-Kriechverformung. Die Atome des Kristallgitters des Materials beginnen sich bei steigender Temperatur zu bewegen. Die Atome können sich frei durch die Materialstruktur bewegen. Die Struktur enthält dadurch neue Leerstellen. Die primäre Korngröße bestimmt die Geschwindigkeit, mit der sich Materialien durch Kriechen verformen. Kleinere Körner weisen schnellere Verformungsraten auf.

Polymerkriechen

Polymermaterialien neigen besonders bei hoher Belastung und hohen Temperaturen zum Kriechen. Sie zeigen dieses Verhalten sowohl bei erhöhten Temperaturen als auch bei Raumtemperatur. Der Hauptfaktor für das Kriechen von Polymeren sind die Gleitbewegungen der Polymerketten. Es betrifft hauptsächlich amorphe Polymere im Gegensatz zu kristallinen Polymeren. (Lesen Sie mehr über die chemische Eigenschaften von Nylon)

Versetzungskriechen

Versetzungskriechen

In dieser Kriechphase verändern die Materialatome ihre Positionen durch Gleit- oder Steigbewegungen von Versetzungen. Potenzkriechen beschreibt die Bewegung von Atomen durch horizontale oder vertikale Verschiebungen. Dadurch entstehen Leerstellen, die zu einer Materialverformung führen. Das Material erfährt eine allmähliche Verformung, da sich Versetzungen durch seine Struktur bewegen.

Coble Creep

Coble Creep-Effekt

Coble-Kriechen tritt bei niedrigeren Temperaturen auf als andere Arten der Materialverformung. Anstelle der eigentlichen Kornfläche sind Korngrenzen der Hauptort dieser Art der Materialverzerrung. Die Grenzen innerhalb des Materials verschieben sich senkrecht zur auslösenden Spannungskraft und verursachen Kriechen.

Kriechen durch gelösten Stoff

Einige Werkstoffe enthalten widerstandsfähige Legierungskomponenten, die durch den Solute-Drag-Mechanismus verformt werden. Hohe Temperaturen führen zu atomarer Deformation im gelösten Material. Dies führt zu mechanischem Versagen und schweren Materialschäden.

Harper-Dorn-Kriecher

Harper-Dorn-Schleicher (HD)

Der Versetzungsmechanismus, der dieser Kriechart zugrunde liegt, unterscheidet sich von anderen Fällen des Versetzungskriechens. Beim Harper-Dorn-Kriechen bleibt die Dehnungsrate weitgehend unbeeinflusst von Korngrößenänderungen. Um diese Art des Kriechens zu erreichen, muss das Material zu 99.95 % rein sein und große Korngrößen über 0.5 mm aufweisen. Zudem muss das Kriechen eine geringe Versetzungsdichte aufweisen, damit es sichtbar wird. Die Kombination aus Spannungsniveaus und Temperaturen im Bereich von 35 % bis 60 % des Schmelzpunkts ermöglicht die Aktivierung des Harper-Dorn-Kriechens.

Sintergrenzspannung

Der Bindungsprozess von Materialpartikeln durch Erhitzung führt beim Sintervorgang zu Kriechablagerungen. Steigt die Materialtemperatur und verkleinert sich die Poren zwischen den Partikeln, erhöht sich die Dichte des Materials. Kriechen tritt auf, wenn die Poren nicht mehr schrumpfen und sich das Material seiner Dichteschwelle nähert. Die Spannung an diesem Punkt führt zum Kriechen.

Tabellenübersicht

Auswirkungen der Kriechverformung auf technische Werkstoffe

Lassen Sie uns herausfinden, wie sich Kriechen auf technische Materialien auswirkt.

Kriechverformung

Kriechverhalten von Kunststoffen

Thermoplaste unterliegen üblicherweise einer Kriechverformung durch eine langsame Dimensionsänderung aufgrund konstanter, sich mit der Zeit aufbauender Spannung. Dieser Übergang vollzieht sich mit der Zeit und bleibt daher meist unbemerkt. Metallteile verformen sich unter langfristigem Druck allmählich, ähnlich wie sich ein Metallteil langsam verbiegt.

Korngrenzengleiten

Korngrenzengleiten

Kanten geringer Dichte verbinden winzige Kristalle im Material. Das Material wird durch das Auseinanderbrechen seiner Grenzen bei Kriechvorgängen schwächer. Bei weiter steigendem Druck entsteht Raum zwischen den Abschnitten.

Kaltverfestigung

Ein Werkstoff entwickelt seine Zähigkeit nach Dehnungs- oder Verformungsprozessen durch Kaltverfestigung. Während der ersten Phase der primären Kriechphase weisen Werkstoffe unter Spannung eine hohe Festigkeit auf. Anschließend wird der Werkstoff durch wiederholtes Biegen des Drahtes über seine gesamte Länge zunehmend steifer.

Jobs

Ein Material weist Leerstellen auf, wenn es leere Stellen aufweist. Dabei existieren Atome in seiner Struktur. Atome gewinnen beim Kriechen an Mobilität, wodurch leere Räume zwischen ihren Positionen entstehen. Während sie ihre Positionen anpassen, bilden sich zwischen den einzelnen Atomen Löcher.

Wie kann Kriechverformung verhindert werden?

Um Kriechen zu verhindern, ist es wichtig, den Kriechverlauf verschiedener Werkstoffe zu kennen. Die Überwachung der sekundären Übergangsphase von Werkstoffen ermöglicht die Auswahl geeigneter Werkstoffe für eine bestimmte Aufgabe.

Werkstoffe ohne gerichtete Körner sind widerstandsfähiger gegen spannungsbedingte Verformungen. Superlegierungen und dispersionsverfestigte Werkstoffe eignen sich hervorragend, da sie im Vergleich zu anderen Werkstoffen eine höhere Kriechfestigkeit aufweisen.

Feinkörnige Werkstoffe (z. B. Superlegierungen) verbessern die Kriechfestigkeit durch die Verstärkung der Korngrenzen. Hochschmelzende Werkstoffe hingegen bleiben auch bei extremen Temperaturen intakt und verformen sich nicht so leicht durch Kriecheffekte.

Darüber hinaus kann eine Temperaturkontrolle auch dazu beitragen, dem Kriechen entgegenzuwirken. Kühle Temperaturen verlängern die Festigkeit des Materials und verzögern den Beginn des Kriechens.

Kriechverformung in Edelstahl 316FR während der Bearbeitung

Kriechermüdungsgleichung für Edelstahl 316

Die Analyse untersuchte den Einfluss von Natriumumgebungen auf Edelstahl 316FR, der Aufkohlungsprozessen unterzogen wird. Dieser Prozess betrifft Bauteile, die während der Bearbeitung hergestellt werden. Diese Bauteile wurden später in Schnelle BrüterDie Experimente durchgeführt bei 550°C Die Natriumbedingungen replizierten die Betriebseinstellungen vorhandener Reaktoren. 

Die Studie ergab folgende Schlussfolgerungen. Das Materialverhalten wurde in der wesentlichen Versuchsphase unmittelbar vor Beginn des Kriechvorgangs beobachtet. Der Forscher legte in dieser Versuchsphase eine Spannung oberhalb der Streckgrenze an. Zur Bewertung des Kriechverhaltens hielten die Forscher während der zweiten Versuchsphase die Kraft konstant. Das Versuchsdesign erforderte die Berücksichtigung der Materialflächenschrumpfung, da diese zu einem Spannungsanstieg führte.

Während des Aufkohlungsprozesses durchdrang Kohlenstoff das Material. Die Forscher beobachteten, dass das Material fester wurde, bevor seine Kriechdehnungsrate allmählich abnahm. Die äußere Oberfläche des Materials zeigte während der Aufkohlung eine schnellere Kohlenstoffdurchdringung. Dadurch bilden sich Spannungskonzentrationen, die zu Materialrissen führen.

Durch systematische Auswertungen im Modell lassen sich die Bedingungen berechnen, die zur Rissbildung im Material führen. Bei geringerer Spannung kommt es häufiger zu Kriechbruchschäden als bei höherer Spannung, was vor allem die Zugfestigkeit beeinträchtigt.

Unter Laborbedingungen mit Natriumlösung und hoher Spannung zeigte das Material eine geringere Lebensdauer als bei Lufttests. Die Dauer der Natriumeinwirkung auf das Material entsprach der Lufteinwirkung bei Spannungen unterhalb der atmosphärischen Bedingungen oder war geringfügig länger. Die experimentellen Tests zeigen, dass die Materialeigenschaften durch die Aufkohlungsbehandlung bei 550 °C weitgehend unbeeinflusst blieben.

Praktischer Ansatz zur Verhinderung von Kriechen bei der Bearbeitung

Kriechverhinderung bei der Bearbeitung

Die Finite-Elemente-Analyse (FEA) sollte verwendet werden für kundenspezifische Stahlbearbeitung Teile, die bearbeitet werden. Es hilft, das Materialverhalten unter Spannungs- und Temperaturbedingungen zu simulieren. 

Darüber hinaus hilft es, Kriechen zu verhindern. Ingenieure können zukünftige Kriechprobleme im Voraus erkennen. Außerdem können Sie optimale Materialien für bessere Bauteilformen auswählen.

Die Echtzeit-Maschinenüberwachung ist ein weiterer Ansatz zur Verbesserung der CNC-Bearbeitungseffizienz. Anpassung Vorschubgeschwindigkeit Durch die Optimierung der Werkzeugwege und optimaler Bearbeitungsbedingungen kann die Kriechspannung um 30 % reduziert werden. (Mehr lesen 5-Achsen-CNC-Bearbeitung)

Wichtige Erkenntnisse 

Ein Material, das mechanischem Kriechen ausgesetzt ist, verformt sich bei hohen Temperaturen über 40 % seines Schmelzpunkts, während es sich unter Streckgrenze befindet. Während der Kriechverformung entwickelt sich das Material allmählich. Die beabsichtigte Verformung kann jedoch viele Jahre dauern, bis die Zerstörung eintritt.

Wählen Sie Stahl mit höheren Schmelzpunkten, um das Risiko von Kriechversagen zu minimieren. Unter Zugbelastung verlangsamt die Kombination größerer Körner die Kriechverformung.

Das tertiäre Kriechen beginnt, wenn die tatsächliche Spannung die Fließgrenze übersteigt. Oder wenn eine Veränderung der Mikrostruktur des Materials, wie etwa Kavitation, zu Materialbrüchen führt.

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Häufig gestellte Fragen

F1: Was ist Kriechen und was sind die Ursachen dafür?
Kriechen ist ein langsamer Verformungsprozess unter konstanter Spannung. Es tritt auf, wenn Materialien hohen Temperaturen ausgesetzt sind. Länger andauernde Spannungen nahe oder über der Streckgrenze tragen ebenfalls zum Kriechen bei.

F2: Was ist ein Beispiel für ein Kriechmaterial?
Stahl und Superlegierungen sind typische Beispiele für Kriechmaterialien. Auch Polymere wie Nylon und Polyethylen können kriechen, wenn sie hoher Spannung und Temperatur ausgesetzt sind.

F3: Wodurch wird Kriechen am häufigsten verursacht?
Kriechen entsteht durch längere Einwirkung hoher Temperaturen. Spannungen nahe oder über der Streckgrenze des Materials beschleunigen das Kriechen mit der Zeit.

F4: Wie wird die stationäre Kriechgeschwindigkeit berechnet?
Die stationäre Kriechgeschwindigkeit wird durch Messung der Verformung über einen bestimmten Zeitraum berechnet. Sie wird als Dehnungsbetrag pro Zeiteinheit ausgedrückt.

F5: Warum ist die kundenspezifische Stahlbearbeitung für die Kriechfestigkeit entscheidend?
Maßgeschneidert Stahlbearbeitung hilft bei der Kontrolle der Korngröße und der Materialstruktur. Die Kriechfestigkeit von Stählen hängt von der Legierung (z. B. Cr, Mo), der Wärmebehandlung und der Karbidstabilisierung ab, nicht nur von der Bearbeitung.