Der Effekt der Hysterese bei Federwerkstoffen

Ursachen, Einflüsse, Bedeutung und Reduzierung

Der Effekt der Hysterese ist ein wichtiges Phänomen bei Federwerkstoffen, das zu einer Differenz zwischen der Belastung und der Entlastung führt.

Unter Hysterese einer Metallfeder versteht man einen unterschiedlichen Kennlinienverlauf (F(s), M(Alpha), Kraft-Weg-Kennlinendiagramm, Federsteifigkeitdiagramm) bei Belastung und bei Entlastung der Metallfeder (F(+s) ≠ F(-s)).
Die Hysterse wird meist durch innere (Werkstoff) und äußere Reibung (Anbauteile) beeinflusst.
Es handelt sich um ein Systemverhalten und besitzt eine Pfadabhängigkeit.
Es entsteht dadurch eine sogenannte "Hystereseschleife".

Hysterese:

Hysterese tritt bei Federwerkstoffen während der Belastungs- und Entlastungsphasen auf.
Es beschreibt den Unterschied in der Federkraft zwischen dem Aufbringen einer Belastung und dem Entfernen dieser Belastung. Bei erhöhter Temperatur kann sich die Elastizität des Federwerkstoffs ändern, was zu einer Veränderung der Hysteresekurve führen kann.
Dies kann zu einer Verschiebung der Federkraft und einer möglichen Beeinträchtigung der präzisen Steuerung der Kraft führen. Es entsteht aufgrund von Energiedissipation im Material, beispielsweise durch elastische Verformungen und Reibungseffekte. Hysterese kann auch durch interne Spannungen und Mikrostrukturänderungen im Material verursacht werden.

Der Effekt der Hysterese:

Ursache:
Die Hysterese tritt auf, wenn es eine Differenz zwischen der Belastung und der Entlastung einer Feder gibt. Sie resultiert aus Mikroplastizität und reversiblen Phasenumwandlungen im Werkstoff.
Die Hysterese bei Federwerkstoffen beruht auf mehreren Mechanismen.
Einflüsse:
Die Hysterese wird von verschiedenen Faktoren beeinflusst, darunter die Temperatur, die Belastung, die Zeit und die Legierungsbestandteile. Höhere Temperaturen, längere Zeiträume und größere Belastungen können die Hysterese verstärken.
Mikroplastizität:
Während der Belastung einer Feder treten plastische Verformungen in Form von Versetzungen auf, die teilweise reversibel sind. Beim Entlasten der Feder bleibt ein Teil der plastischen Verformung erhalten, was zur Hysterese führt.
Reversibles Phasenumwandlungsverhalten:
Einige Federwerkstoffe, wie beispielsweise Formgedächtnislegierungen, zeigen bei bestimmten Temperaturen und Belastungen Phasenübergänge, die mit irreversiblen Verformungen einhergehen und somit zur Hysterese beitragen können.

Einflüsse auf das Hystereseverhalten:

Temperatur:
Eine Erhöhung der Temperatur führt zu einem Anstieg der Hysterese, da sie die Bewegung der Versetzungen und die Reversibilität von Phasenübergängen beeinflusst. Insbesondere bei thermoplastischen Federwerkstoffen kann die Hysterese bei erhöhten Temperaturen deutlich zunehmen.
Zeit:
Langfristige Belastungen können zu einer Zunahme der Hysterese führen, da sich die Versetzungen und Verformungen im Werkstoff über die Zeit hinweg verändern. Dieser Effekt wird als Kriechen bezeichnet und trägt zur Hysterese bei.
Belastung:
Höhere Belastungen können zu größeren plastischen Verformungen führen, was zu einer erhöhten Hysterese führt. Insbesondere bei Federwerkstoffen mit niedriger Elastizitätsgrenze kann die Hysterese ausgeprägter sein.>
Legierungsbestandteile:
Die Zusammensetzung des Werkstoffs beeinflusst das Hystereseverhalten. Verschiedene Legierungsbestandteile können die Versetzungsaktivität, das Phasenumwandlungsverhalten und die elastischen Eigenschaften beeinflussen, was sich auf die Hysterese auswirkt. Beispielsweise können bestimmte Legierungselemente die Versetzungsbewegung behindern und somit die Hysterese verringern.

Reduzierung der Hysterese:

Um die Hysterese bei Federwerkstoffen zu reduzieren, können einige Maßnahmen ergriffen werden.

Optimierung der Werkstoffzusammensetzung:
Durch gezielte Auswahl von Legierungsbestandteilen können Werkstoffe mit reduzierter Versetzungsaktivität und Phasenumwandlungen entwickelt werden, was zu einer verringerten Hysterese führt.
Wärmebehandlung:
Durch bestimmte Wärmebehandlungsverfahren, wie beispielsweise das Austenitisieren und anschließende Abschrecken, können die Versetzungen und Verformungen im Werkstoff reduziert werden, was zu einer Verringerung der Hysterese führt.
Oberflächenbehandlung:
Die Anwendung von Oberflächenbeschichtungen oder -behandlungen kann die Reibung und damit die Energieverluste während der Belastung und Entlastung verringern, was zu einer geringeren Hysterese führt.
Geometrische Optimierung:
Durch eine geeignete Gestaltung der Federgeometrie, wie beispielsweise die Wahl von Drahtdurchmesser, Wickeltechnik und Federform, kann das Hystereseverhalten optimiert werden.

Vorteile und Nachteile der Hysterese:

Vorteile:

Die Hysterese kann dazu beitragen, unerwünschte Schwingungen oder Resonanzen in Federanwendungen zu reduzieren, was zu einer verbesserten Stabilität und Leistung führt. Bei einigen speziellen Anwendungen, wie beispielsweise Stoßdämpfern oder Federn mit Dämpfungsfunktion, kann die Hysterese bewusst genutzt werden, um eine Dämpfungswirkung zu erzielen.

Nachteile:

Die Hysterese führt zu Energieverlusten, da ein Teil der aufgewendeten Energie in Form von Wärme dissipiert wird. Dies kann in einigen Anwendungen zu einer ineffizienten Nutzung der Energie führen. Bei Präzisionsanwendungen, bei denen eine genaue Steuerung der Federkräfte erforderlich ist, kann die Hysterese zu unerwünschten Abweichungen und Ungenauigkeiten führen.

Der Effekt der Hysterese ist ein bedeutender Aspekt bei der Konstruktion und Verwendung von Federwerkstoffen.
Durch das Verständnis der wissenschaftlichen Ursachen und Einflüsse der Hysterese können Ingenieure gezielte Maßnahmen ergreifen, um das Hystereseverhalten zu reduzieren und die Leistung von Federanwendungen zu optimieren.
Die Auswahl geeigneter Werkstoffe, die Anwendung von Wärmebehandlungen, Oberflächenbehandlungen und die geometrische Optimierung sind wirksame Ansätze zur Minimierung der Hysterese. Es ist jedoch wichtig, die potenziellen Vorteile und Nachteile der Hysterese im Hinblick auf die spezifischen Anforderungen einer Anwendung sorgfältig abzuwägen.