Was ist Creep in Materials?

Das Engineering als Disziplin ist auf enge Toleranzen, Wiederholbarkeit und Präzisionskomponenten angewiesen, die den genauen Spezifikationen entsprechen. Dies ermöglicht es Ingenieuren, außergewöhnliche Dinge zu erreichen, vom Bau riesiger Brücken, die Flüsse überspannen, bis hin zum Bau medizinischer Prothesen, die jemandem helfen, ein würdevolleres und komfortableres Leben zu führen. Trotz der Präzision und Qualitätskontrolle, die bei der Herstellung und Installation von Komponenten erforderlich sind, treten im Laufe der Zeit immer noch Ausfälle auf, oft ohne erkennbare Ursache. Einer der Hauptgründe dafür ist ein schleichendes Verhalten.

Kriechen ist die langsame, zeitabhängige, dauerhafte Verformung eines Werkstoffs unter konstanter Belastung, die unterhalb der Streckgrenze stattfindet und durch erhöhte Temperaturen beschleunigt wird. Im Gegensatz zur elastischen Verformung erholt es sich nicht, wenn die Last weggenommen wird.

Kriechverhalten ist eine Ausfallursache, die unabhängig von der Anwendung bei der Konstruktion berücksichtigt werden muss. Es wirkt sich auf alle Bauteile aus, bei denen Polymere oder weichere Metalle einer dauerhaften Belastung ausgesetzt sind, und ist eine der häufigsten Ausfallursachen in der Chemie-, Luft- und Raumfahrt-, Automobil- und Bautechnik.

In diesem Artikel wird speziell auf die Technik eingegangen, was Kriechverhalten ist, wie es sich auf Baugruppen auswirkt und wie man es erkennt. Außerdem werden praktische Strategien für das Risikomanagement und die Minderung des Risikos vorgestellt. Ganz gleich, ob Sie Verbindungselemente für eine Montage unter hohen Temperaturen spezifizieren oder eine Kunststoffschraube für eine Klemmverbindung auswählen: Wenn Sie sich mit Kriechverhalten auskennen, erhalten Sie ein besseres Konstruktionsergebnis.

Inhalt:

• Definition von Kriechverhalten in Materialien

• Die drei Stufen des Kriechens: Primarstufe, Sekundarstufe und Tertiärstufe

• Kriechverhalten in technischen Werkstoffen

• Verbindungselemente zum Einschleichen: Schraubenlockerung, Verlust der Vorspannung und verklemmte Verbindungen

• So verhindern Sie das Eindringen von Werkstoffen: Strategien für Ingenieure

• Wie erkennt und überwacht man Kriechgeräusche, bevor sie zum Ausfall werden

• Kriechen wurde erkannt. Was jetzt?

• Zusammenfassung: Grundlegendes zum Einschleichen von Materialien

• Häufig gestellte Fragen

Definition des Kriechverhaltens in Materialien

In der Technik kündigen sich die meisten Fehlerursachen deutlich an. Überlastung führt zu sichtbaren Verformungen, Ermüdung hinterlässt eine Bruchfläche mit deutlichen Rissausbreitungsspuren und Korrosion ist selten subtil.

Creep ist dagegen geduldig, und genau das macht ihn gefährlich.

Kriechen ist die langsame, zeitabhängige, dauerhafte Verformung eines Materials unter konstanter Beanspruchung. Besonders unvorhersehbar ist die Tatsache, dass Kriechen unterhalb der Streckgrenze des Materials auftritt. Das bedeutet, dass ein Bauteil perfekt gegen statische Überlastung ausgelegt werden kann. Es ist korrekt spezifiziert, ordnungsgemäß installiert und trägt eine Last, die weit innerhalb seiner Nennkapazität liegt, und es verformt sich immer weiter, bis es ausfällt.

Wenn man genug Zeit hat, wird Creep einen Weg finden.

Die beiden bestimmenden Faktoren: Stress und Temperatur

Kriechverhalten wird durch zwei Variablen bestimmt, die in Kombination wirken: anhaltende mechanische Beanspruchung und erhöhte Temperatur.

• Spannung: liefert die treibende Kraft, die in den meisten Fällen von anhaltender mechanischer Belastung herrührt. Im Gegensatz zu einer plötzlichen Überlastung, die zu einer sofortigen Verformung führt, erzeugt eine anhaltende Spannung unterhalb der Streckgrenze einen ständigen Anreiz, dass sich die innere Struktur des Materials im Laufe der Zeit verändert.

• Temperatur: sorgt für die Mobilität, die Wärmeenergie, die es der Struktur eines Materials ermöglicht, sich im Laufe der Zeit auf molekularer Ebene zu verändern. Bei niedrigen Temperaturen ist die Atombewegung weitgehend ausgefroren und das Material widersteht Veränderungen. Wenn die Temperatur steigt, sinkt dieser Widerstand.

Wie Stress ist der Effekt nichtlinear und die beiden Variablen verstärken sich gegenseitig. Ein Prozess, der etwas heißer als geplant abläuft, ein fehlender Hitzeschild an einem Verbindungselement oder ein Bauteil, das näher an eine Wärmequelle verlegt wird, können Folgen haben, die in keinem Verhältnis zu der Veränderung stehen, die sie verursacht hat.

Creep vs. Related Phenomena: Die richtige Terminologie

Creep wird häufig mit zwei verwandten, aber unterschiedlichen Phänomenen verwechselt, die häufig miteinander verwechselt werden.

Spannungsrelaxation ist besonders bei Schraubverbindungen relevant und wird später in diesem Artikel ausführlich behandelt. Der Unterschied lässt sich am einfachsten so verstehen: Kriechen entsteht, wenn sich ein Material frei verformen kann und es unter der Belastung langsam seine Form ändert. Spannungsentspannung ist das, was passiert, wenn ein Material sich nicht frei verformen kann, also auf einer festen Länge gehalten wird. Stattdessen verliert das Material allmählich die innere Spannung, die es getragen hat. Dieselbe zugrunde liegende Ursache, unterschiedliche Ergebnisse, je nachdem, ob sich das Material bewegen kann oder nicht.

Die drei Stufen von Creep: Primär, Sekundär und Tertiär

Kriechen findet nicht auf einmal oder mit konstanter Geschwindigkeit statt. Von dem Moment an, in dem ein Material anfängt, sich durchzuschleichen, bis zu dem Punkt, an dem es schließlich versagt, durchläuft es drei verschiedene Phasen. Jede hat ihre eigenen Eigenschaften, ihren eigenen zugrundeliegenden Mechanismus und ihre eigenen Auswirkungen darauf, wie ein Ingenieur reagieren sollte. Zu wissen, in welcher Phase des Schleichvorgangs sich eine Komponente befindet, kann den Unterschied zwischen der Planung einer Routineinspektion und der Erteilung einer Betriebsunterbrechung ausmachen.

Primary Creep: Die erste Reaktion

Wenn eine Last zum ersten Mal aufgebracht und aufrechterhalten wird, beginnt die Kriechgeschwindigkeit an ihrem höchsten Punkt und verlangsamt sich dann. Dies mag kontraintuitiv erscheinen, da Sie davon ausgehen würden, dass eine Komponente, die seit Jahren an ihrem Platz ist, einem höheren Risiko ausgesetzt ist als eine kürzlich installierte. Der Grund dafür ist jedoch sinnvoll, wenn Sie erst einmal verstanden haben, was in dem Material vor sich geht.

Wenn sich das Material zu verformen beginnt, wirkt seine innere Struktur der Belastung effektiv entgegen. Mikroskopische Unvollkommenheiten innerhalb der Kristallstruktur, sogenannte Dislokationen, beginnen sich als Reaktion auf die Belastung zu bewegen. Dabei stoßen sie schnell auf Hindernisse wie Korngrenzen, andere Dislokationen und kleine Partikel in der Mikrostruktur. Diese führen dazu, dass sie beginnen, sich zu stapeln. Je mehr sie sich anhäufen, desto schwieriger wird es, weitere Bewegungen durchzuführen. Das Material versteift sich gewissermaßen selbst gegenüber der Last, die es trägt.

Dieses Verfahren wird Kaltverfestigung genannt. Aus diesem Grund verlangsamt sich die Kriechrate während der gesamten Primärphase und setzt sich nicht im ursprünglichen Tempo fort.

Für Ingenieure ist das primäre Kriechen bei Neuinstallationen am deutlichsten sichtbar. Das anfängliche Entspannen einer Schraubverbindung nach dem Festziehen, das frühzeitige Absetzen einer Dichtung unter Schraubenbelastung und das Einbiegen eines Lagers unter Vorspannung sind allesamt Anzeichen für primäres Kriechen. In vielen Fällen wird dies erwartet und berücksichtigt. Ein Rückdrehmoment einer abgedichteten Verbindung nach der anfänglichen Druckbeaufschlagung liegt gerade deshalb vor, weil dieses Verhalten vorhersehbar ist.

Wenn Sie schon einmal eine abgedichtete Verbindung erneut angezogen haben, nachdem Sie sie zuerst auf Temperatur gebracht haben, haben Sie das primäre Kriechen bereits umgangen, ohne es so zu nennen.

Secondary Creep: Das lange Spiel

Nach der anfänglichen Kaltverfestigung, die beim ersten Kriechen auftritt, stabilisiert sich die Kriechgeschwindigkeit auf einem niedrigen, ungefähr konstanten Wert und bleibt dort, je nach Material und Bedingungen möglicherweise für Monate oder Jahrzehnte. Dabei handelt es sich um sekundäres Kriechen, das auch als stationäres Kriechen bezeichnet wird. Es macht in der Regel den Großteil der Lebensdauer einer Komponente aus.

Was im Inneren des Materials passiert, ist ein Tauziehen. Beim Kaltverfestigen wird immer noch versucht, die Verformung zu verlangsamen, während erhöhte Temperaturen kontinuierlich einen Teil dieser Aushärtung rückgängig machen — ein Prozess, der als thermische Rückgewinnung bezeichnet wird. Wenn diese beiden Effekte ein Gleichgewicht erreichen, stabilisiert sich die Kriechgeschwindigkeit. Sie ist nicht Null, aber sie ist stabil und vorhersehbar.

Diese konstante Rate ist vor Ort von enormer Bedeutung. Mit dieser Zahl berechnen Ingenieure, wie lange eine Komponente hält, und sie reagiert akut sowohl auf Stress als auch auf Temperatur. Ein moderater Anstieg der beiden Werte beschleunigt nicht nur die Kriechgeschwindigkeit, sondern kann sie um ein Vielfaches vervielfachen, wodurch die Lebensdauer einer Komponente drastisch verkürzt wird, bevor die Wartung entscheidend wird.

Tertiary Creep: Der Punkt, ab dem es kein Zurück mehr gibt

Irgendwann bricht das Gleichgewicht zusammen, das das sekundäre Kriechen definiert hat. Die Kriechgeschwindigkeit beginnt zu steigen und hört nicht auf. Wenn Sie jemals die Bolzen aus einem alten Flansch gezogen haben und festgestellt haben, dass sie deutlich länger sind, als sie hineingingen, haben Sie den Endzustand dieses Vorgangs aus nächster Nähe gesehen.

Es handelt sich um ein tertiäres Kriechen, das ohne Eingreifen in einem einzigen Ergebnis endet: Kriechbruch. Unter Kriechbruch versteht man das völlige Versagen eines Verbindungselements unter einer Belastung, die es ursprünglich gut tragen konnte.

Diese Beschleunigung wird von mehreren Faktoren angetrieben, in der Regel in Kombination. Im Inneren des Materials beginnen sich winzige Hohlräume zu öffnen, typischerweise an den Korngrenzen. Diese wachsen allmählich und verbinden sich zu Rissen. Bei Bauteilen, die unter Spannung stehen, beginnt sich der Querschnitt zu verengen, was die lokale Spannung erhöht, obwohl sich die aufgebrachte Last nicht verändert hat, was den Prozess weiter beschleunigt.

Die Warnschilder sind wissenswert:

• Dimensionsänderung, die sich nach einer langen Stabilitätsphase beschleunigt.

• Oberflächenrisse bei Spannungskonzentrationen oder Korngrenzen.

• Sichtbare Querschnittsverengung bei belasteten Bauteilen und Schraubverbindungen.

• Eine plötzliche Zunahme des Verlustes an Vorspannung nach Monaten oder Jahren stetigen Verhaltens.

Wenn das tertiäre Kriechen seinen Lauf nimmt, sieht die daraus resultierende Fraktur in der Regel ganz anders aus als bei anderen Ausfallursachen. Der Riss folgt den Korngrenzen, anstatt die Körner selbst zu durchschneiden. Es entsteht eine raue, körnige Bruchfläche mit sichtbaren Spuren der Hohlräume, die sich dabei gebildet haben.

Im Gegensatz zu einem schnellen Bruch kommt es im Moment des Versagens selten zu dramatischen Verformungen, da sich der Schaden während der gesamten Lebensdauer des Bauteils leise angehäuft hat. Ein schneller Bruch ist ein plötzliches, katastrophales Versagen, das bei Materialien auftritt, bei denen aufgrund von Dehnung, Materialermüdung oder Herstellungsfehlern Risse entstanden sind, die oft nicht nachweisbar sind. Wenn die auf das belastete Material einwirkende Dehnung die Tragfähigkeit übersteigt, wobei der Schwerpunkt auf der Rißspitze liegt, bricht es plötzlich und heftig ohne vorherige Verformung oder Warnung.

Für jeden, der an der Fehleranalyse beteiligt ist, führt ein Kriechbruch, der fälschlicherweise als ermüdungsbedingtes Versagen identifiziert wurde, wie ein schneller Bruch, zu den falschen Korrekturmaßnahmen, und derselbe Fehler wird sich höchstwahrscheinlich wiederholen.

Im Folgenden finden Sie eine kurze Tabelle, in der die drei verschiedenen Phasen des Kriechvorgangs zusammengefasst sind, sowie weitere nützliche Informationen, die Ihnen dabei helfen, die einzelnen Phasen zu bewältigen und vorherzusehen:

 

Kriechverhalten in technischen Materialien

Kriechverhalten wirkt sich auf alle technischen Werkstoffe aus. Was je nach Material unterschiedlich ist, sind die Temperatur und die Beanspruchung, bei der das Problem in der Praxis zum Tragen kommt. Es wird stark mit Hochtemperaturanwendungen wie Düsentriebwerken und chemischen Prozessreaktoren in Verbindung gebracht, aber es ist ein Fehler, es ausschließlich als Hochtemperaturphänomen zu betrachten.

Das Kriechen in Kunststoffen ist ein besonderes Konstruktionsproblem, da Polymere bei Raumtemperatur bei geringer Belastung messbare Verformungen aufweisen können. Eine Nylonhalterung, die eine anhaltende Belastung bei Umgebungstemperatur trägt, kriecht trotzdem.

Die Temperaturschwelle, auf die es ankommt, ist nicht die absolute Temperatur in Grad, sondern die Temperatur im Verhältnis zum Schmelz- oder Erweichungspunkt des Materials. Dieses Konzept wird als homologe Temperatur bezeichnet.

Die homologe Temperatur ist definiert als das Verhältnis von Betriebstemperatur zu Schmelztemperatur, beide ausgedrückt in Kelvin:

Homologe Temperatur = Betriebstemperatur (K)/Schmelztemperatur (K) für Metalle oder Glasübergangstemperatur (K) für Polymere

Bei den meisten Metallen wird das Kriechen bei einer homologen Temperatur von etwa 0, 4:1, wenn die Betriebstemperatur etwa 40% des absoluten Schmelzpunkts erreicht, zu einem technischen Problem. Bei Kohlenstoffstahl entspricht dies etwa 370 °C bis 400 °C, ein Bereich, der viele industrielle Prozessumgebungen umfasst. Bei Aluminium liegt der Grenzwert bei nur 100 °C bis 190 °C, was für Automobilanwendungen im Motorraum durchaus erreichbar ist. Bei Polymeren, deren relevanter Schwellenwert die Glasübergangstemperatur und nicht der Schmelzpunkt ist, liegt das Problem häufig direkt bei oder knapp unter der Raumtemperatur, die mit 25 °C angegeben wird.

Praktisch bedeutet das, dass nicht davon ausgegangen werden darf, dass nur heiße Bauteile gefährdet sind.

Die folgende Tabelle enthält eine Referenz für die Materialien, die in der technischen Praxis am häufigsten vorkommen.

 

Ein wichtiger Hinweis, der für jede Reihe gilt: Die oben angegebenen Eintrittstemperaturen geben an, wann das Kriechen zu einem erheblichen technischen Problem wird, und nicht auf einen absoluten Schwellenwert, unter dem das Material immun ist. Kriechen ist ein kontinuierliches Phänomen, weshalb die Geschwindigkeit bei den meisten Materialien bei niedrigeren Temperaturen schlichtweg vernachlässigbar wird.

Kriechverbindungen: Schraubenlockerung, Verlust der Vorspannung und verspannte Verbindungen

Das Entspannen von Schrauben kann schwierig zu verstehen und von Kriechen zu unterscheiden sein. Die Mechanismen, die dazu führen, sind sehr ähnlich, aber im Gegensatz zum Kriechen handelt es sich beim Versagen der Schraubenlockerung nicht um einen Kriechbruch oder einen Bruch innerhalb einer Baugruppe. Stattdessen handelt es sich um eine lose Schraube, die eine Verbindung nicht mehr zusammenhält, was zu Undichtigkeiten und anderen Problemen führen kann.

Warum verlieren Schrauben an Vorspannung

Wenn Sie eine Schraube festziehen, dehnen Sie sie. Nicht sichtbar, aber auf molekularer Ebene hat es sich unter der Spannung leicht verlängert. Diese Dehnung erzeugt die Klemmkraft, die das Gelenk zusammenhält. Der Bolzen möchte wieder auf seine ursprüngliche Länge zurückfedern, aber das Gelenk lässt ihn nicht durch, sodass er stattdessen unter konstanter Spannung sitzt. So weit, so gut.

Das Problem ist, dass sich die innere Struktur der Schraube im Laufe der Zeit, die bei erhöhten Temperaturen immer schlimmer wird, langsam an diesen gedehnten Zustand anpasst. Es wird nicht länger, weil das Gelenk ihn auf einer festen Länge hält. Stattdessen sinkt die Kraft, mit der es nach hinten drückt, allmählich ab. Der Bolzen bleibt in dieser neuen Länge hängen und hält das Gelenk nicht mehr so fest wie bei der ersten Montage. Die Spannkraft hat leise nachgelassen, und von außen gibt es keine erkennbare Ursache dafür.

Das ist wichtig, da die Gelenke auf eine Mindestklemmkraft ausgelegt sind. Eine präzise Montage erfordert eine gleichmäßige Klemmung, um die Ausrichtung zu gewährleisten. In jedem Fall muss der Bolzen nicht gleich durchfallen, damit etwas schief geht, er muss sich lediglich über eine Schwelle hinaus entspannen. Die Folgen sind ein Leck, eine gelockerte Verbindung oder ein Verlust der Ausrichtung, den niemand sofort erklären kann.

Wo sich das Risiko konzentriert:

• Verbindungen für hohe Temperaturen: Aufgrund der Kombination aus erhöhter Temperatur, anhaltender Schraubenbelastung und einer Dichtung, die selbst kriecht, handelt es sich um Schraubverbindungen, die in der üblichen technischen Praxis mit dem höchsten Risiko verbunden sind. Die Dichtung fließt kalt, die Schraube entspannt sich und die Verbindung verliert allmählich die Sitzspannung, mit der sie zusammengebaut wurde.

• Verbindungen mit Komponenten aus Kunststoff oder Weichmetall: Bei jeder Baugruppe, die eine PTFE-beschichtete Dichtung, eine Unterlegscheibe aus Nylon, einen Aluminiumflansch oder eine Unterlegscheibe aus Kupfer enthält, entsteht ein Material, das unter Schraubenbelastung kriecht. Das weiche Element verformt sich zunehmend, wodurch die effektive Grifflänge der Schraube verringert wird und die Vorspannung sinkt.

• Sicherungsmuttern mit Nyloneinsatz für Anwendungen mit Dauerbelastung: Das Nylonelement klemmt das Bolzengewinde unter elastischer Verformung fest. Bei anhaltender Belastung und erhöhter Temperatur kriecht es, wodurch die Haftung verringert wird und die Verriegelungsleistung mit der Zeit beeinträchtigt wird. Ein Ganzmetall-Verriegelungsmechanismus ist unter diesen Bedingungen zuverlässiger.

• Gewindebohrungen in einem weicheren Material bei Belastung durch härtere Bauteile: Die Gewindeflanken tragen die gesamte Schraubenlast im Lager und kriechen mit der Zeit unter der Schraube hindurch. Dadurch wird der Gewindeeingriff reduziert und die Vorspannung sinkt. Das Risiko steigt mit der Temperatur und der Belastung. In einer kühlen, leicht belasteten Baugruppe ist es vernachlässigbar und in einer warmen, stark belasteten Baugruppe ein echtes Problem.

Antworten aus der Praxis beim Design:

• Passen Sie das Befestigungsmaterial an die Betriebstemperatur an. Gehen Sie nicht davon aus, dass ein Material, das für eine bestimmte Temperatur unter kurzfristiger Belastung ausgelegt ist, seine Vorspannung auch bei anhaltender Langzeitbelastung bei derselben Temperatur beibehält.

• Verwenden Sie Unterlegscheiben aus gehärtetem Stahl. Bei Verbindungen mit weichen oder zum Kriechen neigenden Materialien verteilt eine gehärtete Unterlegscheibe die Lagerbelastung, reduziert die Kontaktspannung auf das weiche Element und verlangsamt die Geschwindigkeit der Kriechverformung.

• Bevorzugen Sie Ganzmetall-Verriegelungsmechanismen. Wenn bei Anwendungen mit erhöhter Temperatur oder Dauerlast das vorherrschende Drehmoment erforderlich ist, behalten Ganzmetall-Kontermuttern ihre Verriegelungsleistung bei, wenn Nylon-Spannmuttern unzuverlässig werden. Achten Sie bei der Spezifikation und Montage von Ganzmetallbauteilen jedoch sowohl auf galvanische Korrosion als auch auf Gewindeabrieb.

• Wenden Sie einen Zeitplan für das erneute Anziehen an. Das anfängliche Kriechen der Dichtung und die Entspannung der Schraube nach der ersten Druckbeaufschlagung sind vorhersehbar. Ein geplantes erneutes Anziehen des Drehmoments, nachdem die Verbindung zum ersten Mal betriebsbereit ist, ist eine bewährte Praxis und kein Zeichen dafür, dass etwas schief gelaufen ist.

• Konstruktion für Gelenksteifigkeit. Eine steife Verbindung mit kurzen Schrauben mit großem Durchmesser, starren Flanschen und minimalen weichen Elementen im Lastpfad verliert bei einer bestimmten Kriechverformung einen geringeren Prozentsatz der Vorspannung als eine lange, flexible Verbindung.

So verhindern Sie das Kriechen in Materialien: Strategien für Ingenieure

Vorbeugung ist erheblich billiger als Sanierung. Die meisten Kriechausfälle lassen sich auf eine Entwurfs- oder Spezifikationsentscheidung zurückführen, die getroffen wurde, bevor das Bauteil überhaupt belastet wurde.

• Fangen Sie mit dem richtigen Material an: Ein Material mit ausreichender Kriechfestigkeit für die Betriebsbedingungen wird unbegrenzt lange funktionieren; ein Material ohne Material fällt nach einem Zeitplan aus, der durch die Gesetze der Physik festgelegt ist.

• Kontrollieren Sie die Betriebstemperatur: Da die Temperatur einer der beiden Hauptgründe für das Kriechen ist, lohnt es sich immer, sie so niedrig wie möglich zu halten. Dies kann durch Isolierung, lokale Kühlung, Wegführung der Komponenten von Wärmequellen oder einfach durch genaue Angabe der tatsächlichen Betriebstemperatur erreicht werden, anstatt standardmäßig einen Wert für den schlechtesten Fall zu verwenden.

• Reduzieren Sie anhaltenden Stress: Weniger Stress bedeutet langsameres Kriechen, und Stress ist oft etwas, über das der Konstrukteur die direkte Kontrolle hat. Die Vergrößerung eines Bauteils, die Erhöhung des Schraubendurchmessers, das Hinzufügen einer Stützhalterung oder die Umverteilung der Last auf mehrere Verbindungselemente reduzieren die Dauerbelastung einzelner Elemente und verlängern die Lebensdauer bei Kriechbetrieb. Achten Sie besonders auf Spannungskonzentrationen wie Kerben, scharfe Querschnittsänderungen und schlecht tolerierte Passungen.

• Geben Sie neben der Legierung auch die Wärmebehandlung an: Bei kriechkritischen Bauteilen sollte die Werkstoffspezifikation die erforderlichen Wärmebehandlungsbedingungen enthalten, nicht nur die Legierungsbezeichnung. Dieselbe Legierung, die unterschiedlich verarbeitet wird, kann ein erheblich unterschiedliches Kriechverhalten aufweisen.

• Prüfen und Warten nach einem Zeitplan: Legen Sie Prüfpunkte für die Dimensionsprüfung von Komponenten fest, die bei der Kriechleistung kritisch sind, definieren Sie Abnahmekriterien vor und nicht danach, und erstellen Sie einen klaren Plan, wenn sich eine Messung ihrem Grenzwert nähert. Bauteile aus Kunststoff, die dauerhaft beansprucht werden, sollten nach einem bestimmten Zeitpunkt ausgetauscht werden, anstatt auf sichtbare Anzeichen einer Beschädigung zu warten. Wenn ein kriechbeladenes Polymer falsch aussieht, ist es möglicherweise bereits im Tertiärverhalten.

So erkennen und überwachen Sie Kriechvorgänge, bevor sie zum Ausfall werden

Creep kommt selten ohne Vorwarnung an. Im Gegensatz zu Sprödfrakturen entwickelt sie sich mit der Zeit weiter und hinterlässt Spuren, die ein vorbereiteter Techniker finden kann.

• Sicht- und Maßprüfung: Sichtbare Dehnung oder Wölbung, Oberflächenrisse an den Korngrenzen und eine sichtbare Verringerung des Querschnitts sind allesamt Indikatoren für eine deutliche Kriechentwicklung. Achten Sie bei Schraubverbindungen auf Verbindungselemente, die sich mit einem geringeren Widerstand als erwartet drehen, ob die Dichtung ungleichmäßig zusammengedrückt wird oder die Verbindungen trotz korrekter Montage zu durchbrennen beginnen. Grundmessungen, die bei der Inbetriebnahme vorgenommen und in definierten Intervallen wiederholt werden, sind das strengste und praktischste Überwachungsinstrument. Eine Komponente, deren Abmessungen stabil sind, verhält sich vorhersehbar; eine Komponente, deren Änderungsrate sich beschleunigt, ist wahrscheinlich in den tertiären Kriechgang übergegangen.

• Zerstörungsfreie Prüfung: Die Ultraschallprüfung erkennt innere Hohlräume und Schäden an den Korngrenzen, bevor Oberflächenspuren auftreten. Die Replikat-Metallografie ermöglicht die direkte Beurteilung von Schäden an den Korngrenzen und der Hohlraumdichte und wird häufig zur Bewertung der Restlebensdauer von Kraftwerken verwendet. Die Überwachung der Schallemissionen warnt in Echtzeit vor der Entstehung von Rissen in hochwertigen oder sicherheitskritischen Anwendungen. Diese Techniken erfordern spezielle Geräte, sind aber überall dort, wo die Kosten eines Ausfalls die Investition rechtfertigen, gut bewährt.

• Dehnungsüberwachung: Auf die Oberfläche geklebte Dehnungsmessstreifen zeichnen direkt die Verformung im Laufe der Zeit auf und geben so eine Kriechkurve für das eigentliche Bauteil unter tatsächlichen Betriebsbedingungen an. Die digitale Bildkorrelation bildet die gesamte Dehnung einer Oberfläche ab und ist zunehmend zugänglich. Für einfachere Anwendungen bieten Referenzmarken, die bei der Herstellung auf ein Bauteil geritzt werden, eine kostengünstige Grundlage für regelmäßige manuelle Messungen.

Kriechen wurde erkannt. Was jetzt?

Das Auffinden von Anzeichen für ein Eingreifen ist nicht automatisch eine Krise, aber die Reaktion muss der jeweiligen Phase angemessen sein.

• Schritt 1: Stellen Sie fest, in welcher Phase Sie sich befinden. Bei einer Neuinstallation ist ein primärer Fehler normal. Bei sekundärem Kriechvorgang in einer etablierten Komponente handelt es sich um eine verwaltete Situation. Tertiäres Kriechen erfordert sofortiges Handeln. Wenn Sie das Stadium anhand vorhandener Daten nicht bestimmen können, behandeln Sie es als tertiär, bis Sie das Gegenteil nachweisen können.

• Schritt 2: Reduzieren Sie die Belastung, wenn ein tertiäres Kriechen vermutet wird. Das tertiäre Kriechen beschleunigt sich, je länger ein Bauteil unter voller Last verbleibt. Schalten Sie das System aus, verteilen Sie die Last auf alternative Pfade oder fügen Sie temporäre Unterstützung hinzu. Störend, aber deutlich weniger störend als ein unkontrollierter Ausfall.

• Schritt 3: Beurteilen Sie die verbleibende Lebensdauer. Der Larson-Miller-Parameter ist die am häufigsten verwendete Methode für Metalle im sekundären Kriechbetrieb. Er kombiniert Zeit und Temperatur in einem einzigen Parameter, um das Langzeitverhalten aus kurzfristigen Daten zu extrapolieren. Die Omega-Methode eignet sich besser für Bauteile, die bereits Tertiärschäden aufweisen. Beide erfordern werkstoffspezifische Daten und lassen sich am besten in Absprache mit einem Werkstoffingenieur durchführen, wenn viel auf dem Spiel steht.

• Schritt 4: Ersetzen, reparieren oder neu konstruieren. Zu den Optionen gehören der planmäßige Austausch der Komponente, die Änderung der Betriebsbedingungen, um die Kriechgeschwindigkeit zu verringern, oder die Neukonstruktion mit einem geeigneteren Material oder einer geringeren Beanspruchung. Bei kleinen Komponenten ist der Austausch in der Regel die einfachste Lösung; eine Verlängerung der Lebensdauer durch Zustandsänderung kann bei großen, teuren oder schwer zugänglichen Komponenten praktischer sein, sofern die Bewertung dies bestätigt.

• Schritt 5: Lernen Sie daraus. Ein schleichender Befund signalisiert, dass etwas in der ursprünglichen Konstruktion, Spezifikation oder Betriebsannahme nicht ganz richtig war. Prüfen Sie, ob sich ähnliche Komponenten an anderer Stelle im System an derselben Position befinden. Aktualisieren Sie die Konstruktionsbasis. Überarbeiten Sie den Inspektionsplan. Das Ziel besteht nicht nur darin, die vor Ihnen liegende Komponente zu reparieren, sondern auch zu verhindern, dass sich derselbe Fehler an anderer Stelle wiederholt.

Zusammenfassung: Das Einschleichen von Materialien verstehen

Durch das Lesen dieses Leitfadens sollten Sie nun ein fundiertes Verständnis davon haben, was Kriechverhalten ist, warum es passiert und wie Sie bei der Konstruktion dagegen vorgehen, es erkennen und reagieren können, wenn es entdeckt wird. Im Folgenden haben wir die wichtigsten Punkte zusammengefasst, an die Sie sich erinnern sollten.

Die wichtigsten Erkenntnisse:

• Was Kriechen ist: Die langsame, dauerhafte Verformung eines Werkstoffs bei anhaltender Beanspruchung unterhalb seiner Streckgrenze, die durch die Kombination aus mechanischer Belastung und erhöhter Temperatur verursacht wird.

• Die drei Phasen: Das Kriechen durchläuft die primäre (verzögernde), sekundäre (stationäre) und tertiäre (beschleunigende) Phase. Das tertiäre Kriechen ist ein Zustand, in dem die Arbeit unterbrochen wird, solange sie nicht richtig untersucht wird.

• Jedes Material ist gefährdet: Metalle, Polymere und weiche Materialien kriechen. Der Schwellenwert schwankt dramatisch und reicht von über 600 °C für kriechfeste legierte Stähle bis hin zur Raumtemperatur für einige Polymere wie PTFE und Nylon.

• Verwenden Sie die richtigen Daten: Kurzfristige Zugeigenschaften beschreiben nicht das langfristige Kriechverhalten. Suchen Sie bei Anwendungen unter anhaltender Belastung immer nach kriechspezifischen Materialdaten.

• Bei Schraubverbindungen ist Vorsicht geboten: Durch die Entspannung der Spannung wird die Spannkraft im Laufe der Zeit geräuschlos reduziert. Materialauswahl, Verbindungssteifigkeit, gehärtete Unterlegscheiben und Zeitpläne für das erneute Anziehen sind Ihre praktischen Gegenmaßnahmen.

Weiterführende Lektüre:

• Ultimativer Ratgeber zum Kauf von Schrauben: Typen und Materialien: Informieren Sie sich über die verschiedenen verfügbaren Materialien und Befestigungselemente, um sicherzustellen, dass Sie die richtige Wahl für Ihre Anwendung treffen.

• Was bedeutet Stärke? : Ein praktischer Leitfaden darüber, was Festigkeit in technischer Hinsicht bedeutet.

Also, da haben wir es. Ganz gleich, ob Sie Bauteile für eine industrielle Hochtemperaturmontage spezifizieren oder einfach nur wissen möchten, warum eine Schraubverbindung undicht geworden ist — das Verständnis von Kriechverhalten ist ein unschätzbares technisches Wissen. Wir hoffen, dieser Leitfaden hat Ihnen sowohl die theoretischen als auch die praktischen Werkzeuge an die Hand gegeben, mit denen Sie sich vertrauensvoll an das Thema herangehen können.

Für Präzisionsverschlüsse, Kunststoffkomponenten und technische Hardware, die für anspruchsvolle Anwendungen geeignet sind, verfügt Accu über die Bandbreite, die Spezifikationen und das Fachwissen, um Ihr Projekt in jeder Phase zu unterstützen.

Häufig gestellte Fragen

F: Was verursacht Kriechversagen in Materialien?

A: Kriechversagen tritt auf, wenn ein Material lange genug belastet wird, und zwar bei einer ausreichend hohen Temperatur, dass es sich langsam über den Punkt hinaus verformt, an dem es seine Aufgabe erfüllen kann. Die Ursache ist immer derselbe zugrundeliegende Mechanismus: Die innere Struktur des Materials ordnet sich im Laufe der Zeit neu an, aber in der Praxis neigen einige spezifische Dinge dazu, sie auszulösen. Am häufigsten wird ein Bauteil heißer laufen als in der ursprünglichen Konstruktion angenommen, wodurch es einer Belastung in der Nähe der langfristigen Kriechgrenze ausgesetzt wird (die deutlich unter der Festigkeitsangabe im Datenblatt liegt), das falsche Material für die jeweiligen Bedingungen ausgewählt wurde oder dass Spannungskonzentrationen wie Gewindewurzeln, scharfe Ecken oder Bereiche mit höherer Temperatur an einer Baugruppe fehlen.

Sobald ein Bauteil das tertiäre Kriechverhalten erreicht hat, kann es bei Belastungen versagen, die es einmal komfortabel bewältigt hat. Aus diesem Grund wird Kriechen als Problem mit geplanter Lebensdauer behandelt und nicht als unbefristetes Problem. Kriechversagen in Werkstoffen lässt sich fast immer verhindern, wenn das richtige Material gewählt wird, vernünftige Betriebsbedingungen eingehalten werden und eine realistische Vorstellung davon besteht, wie lange das Bauteil tatsächlich halten muss.

F: Bei welcher Temperatur wird Kriechen in Stahl signifikant?

A: Bei verschiedenen Stahlsorten und -typen variiert die Temperatur, bei der das Kriechen signifikant wird. Bei Kohlenstoffstahl wird das Kriechen oberhalb von etwa 350 °C zu einem praktischen technischen Problem. Austenitische nichtrostende Stähle wie 304 und 316 fallen ab etwa 425 °C in den Kriechbereich, behalten aber ihre nützliche Kriechfestigkeit bis etwa 600 °C bei.

Für Anwendungen mit höheren Temperaturen ist Titan eine ausgezeichnete Wahl. Es gibt zahlreiche Typen und Typen, die speziell für Hochtemperaturbeständigkeit und Kriechfestigkeit entwickelt wurden.

F: Was ist der Unterschied zwischen Kriech- und Stressentspannung?

A: Beide werden von demselben zugrunde liegenden Mechanismus angetrieben, nämlich dem zeitabhängigen Materialverhalten auf mikrostruktureller Ebene. Der Unterschied liegt in der Randbedingung. Kriechen tritt unter konstanter Belastung auf und führt im Laufe der Zeit zu einer zunehmenden Dehnung. Stressrelaxation erfolgt bei konstanter Belastung. Es handelt sich um eine feste Verschiebung, die mit der Zeit zu abnehmender Spannung führt. Bei Schraubverbindungen ist die Spannungsrelaxation der dominierende Effekt: Die Schraubenlänge wird durch das Gelenk begrenzt, sodass sich die Kriechneigung des Materials eher in einem Rückgang der Spannkraft als in einer weiteren Dehnung äußert.

F: Wie verhindert man das Kriechen in Schraubverbindungen?

A: Die wirksamsten Maßnahmen gegen Kriechen in einer Schraubverbindung sind:

• Wählen Sie ein Befestigungsmaterial mit ausreichender Kriechfestigkeit für die Betriebstemperatur.

• Verwenden Sie Unterlegscheiben für eine gleichmäßige Lastverteilung.

• Verwenden Sie bei Anwendungen mit erhöhten Temperaturen ausschließlich aus Metall bestehende Verriegelungsmechanismen anstelle von Nylon-Einsatzmuttern.

• Nach der ersten Druckbeaufschlagung der abgedichteten Verbindungen ein neues Anzugsdrehmoment durchführen.

F: Was ist der Larson-Miller-Parameter?

A: Der Larson-Miller-Parameter ist ein weit verbreitetes Instrument zur Schätzung der Kriech- und Spannungsbruchlebensdauer von Metallen. Er kombiniert Betriebstemperatur und Zeit zu einem einzigen Wert, der verwendet werden kann, um das langfristige Materialverhalten aus kurzfristigeren Testdaten zu extrapolieren oder die verbleibende Lebensdauer unter bekannten Betriebsbedingungen abzuschätzen. Es erfordert werkstoffspezifische Konstanten und wird am zuverlässigsten von oder in Absprache mit einem Werkstoffingenieur angewendet.

F: Welche Materialien haben die beste Kriechfestigkeit?

A: Unter den Metallen bieten Nickel-Superlegierungen die höchste Kriechfestigkeit, gefolgt von speziell entwickelten kriechfesten Stählen und Titanlegierungen im mittleren Temperaturbereich. Unter den technischen Polymeren bietet PEEK die beste Kriechfestigkeit.