Der Effekt des Kriechens bei Federwerkstoffen

Ursachen, Einflüsse, Bedeutung und Reduzierung

Der Effekt des Kriechens ist ein bedeutendes Phänomen bei Federwerkstoffen, das aufgrund von Zeit, Temperatur und Belastung zu einer fortschreitenden Verformung führen kann.

Unter Kriechen einer Metallfeder versteht man eine Abmessungsänderung (z.B. Längenänderung dL>L0-L0(t), Winkeländerung dAlpha>Alpha0-Alpha0(t)) bei konstant wirkender Belastung oder Spannung über einen bestimmten Zeitraum z.B. 100 Stunden.
Die Abmessungsänderung nimmt mit der Zeit ab. Bei einer Druckfeder zum Beispiel erzeugt das Kriechen bei konstanten Belastung / Spannung eine Verkürzung der ungespannten Länge L0, so dass dadurch die geometrische Hauptabmessung L0 verändert wird.

Kriechen bei Federwerkstoffen ist ein zeit- und tempaturabhängiger Werkstoffeffekt und verändert die Hauptabmessungen und Kennlinienwerte der Metallfeder.
Kriechen und Relaxation wird meist unter dem Sammelbegriff Setzverhalten oder Setzung beschrieben.

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Kriechen:

Kriechen bezieht sich auf die langsame (Zeitabhängigkeit) und dauerhafte Verformung eines Federwerkstoffs unter konstanter Belastung.
Bei erhöhter Temperatur nimmt die Kriechneigung (Temperaturabhängigkeit) eines Materials zu, was zu einer beschleunigten Verformung und einem Verlust an Federkraft führt. Dieser Effekt ist besonders relevant, wenn Federwerkstoffe langfristig hohen Temperaturen ausgesetzt werden. Kriechen tritt aufgrund der Diffusion von Atomen im Material auf, wodurch die Bindungen allmählich ihre Position verändern. Kriechen wird durch hohe Temperaturen begünstigt, da die Atombeweglichkeit bei erhöhter Temperatur zunimmt.

Berechnung des Kriechbetrag k bei einer Druckfeder (Formel):

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Effekt des Kriechens:

Ursache:
Das Kriechen bezieht sich auf die langsame plastische Verformung einer Feder unter konstanter Belastung im Laufe der Zeit. Kriechen tritt durch Schädiguung des inneren Werkstoffverbunds auf. Dabei werden Veränderungen im inneren des Werkstoffs zwischen den Korngrenzen hervorgerufen, z.B. die Bewegung von Versetzungen und die Neuanordnung der Atome im Werkstoff.
Das Kriechen bei Federwerkstoffen basiert auf der plastischen Verformung des Materials durch die Diffusion von Atomen entlang der Gitterpläne der Kristallstruktur. Dieser Prozess wird durch die Bewegung von Versetzungen in Gang gesetzt, die eine fortschreitende Verschiebung der Atome bewirken.
Einflüsse:
Das Kriechen wird stark von der Temperatur, der Belastung und der Zeit beeinflusst. Höhere Temperaturen und größere Belastungen beschleunigen das Kriechen, während längere Zeiträume zu einer größeren Verformung führen können.
Praktische Bedeutung:
Das Kriechen kann zu einer dauerhaften Verformung der Feder führen, was in einigen Anwendungen problematisch ist. Beispielsweise kann es bei Fahrzeugfedern zu einer Änderung der Fahrzeughöhe oder bei Federn in Bauwerken zu einer Beeinträchtigung der Strukturintegrität führen.

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Einflüsse auf das Kriechverhalten:

Temperatur:
Eine Erhöhung der Temperatur beschleunigt das Kriechen, da sie die thermische Aktivierung von Diffusionsprozessen begünstigt. Die Kriechrate nimmt exponentiell mit steigender Temperatur zu.
Zeit:
Das Kriechverhalten ist zeitsensitiv, da es Zeit benötigt, um eine signifikante Verformung zu erzeugen. Langzeitbelastungen führen zu einem stärkeren Kriechen.
Belastung:
Höhere Belastungen erhöhen die Versetzungsbewegung und fördern somit das Kriechen. Die Kriechrate steigt linear mit der angewandten Belastung.
Einfluss der Legierungsbestandteile:
Die Zusammensetzung des Werkstoffs beeinflusst das Kriechverhalten. Hier sind einige Legierungsbestandteile und ihre Auswirkungen zu beachten:
Chrom (Cr):
Eine erhöhte Chromkonzentration wirkt kriechhemmend, da es die Oxidation der Werkstoffoberfläche unterstützt und somit den Diffusionsprozess verlangsamt.
Molybdän (Mo):
Molybdän erhöht die Zugfestigkeit des Werkstoffs und verringert dadurch das Kriechverhalten.
Aluminium (Al):
Aluminium erhöht die Festigkeit des Werkstoffs, kann aber gleichzeitig das Kriechen fördern, insbesondere bei höheren Temperaturen.
Silizium (Si):
Silizium trägt zur Stabilisierung der Oxidschicht bei und kann somit das Kriechen reduzieren.

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Reduzierung des Kriechens:

Um das Kriechen bei Federwerkstoffen zu reduzieren, können verschiedene Ansätze verfolgt werden:

Optimierung der Legierungszusammensetzung:
Durch gezielte Auswahl von Legierungsbestandteilen können Werkstoffe mit einer geringeren Kriechempfindlichkeit entwickelt werden.
Wärmebehandlung:
Eine geeignete Wärmebehandlung, wie beispielsweise das Ausscheiden von Ausscheidungshärtephasen oder das Gefügeumwandeln, kann das Kriechverhalten positiv beeinflussen.
Beschichtungen:
Die Anwendung von Oberflächenbeschichtungen, wie beispielsweise Oxidschichten oder Diffusionsbarrieren, kann das Eindringen von Atomen und somit das Kriechen reduzieren.
Hochleistungswerkstoffe:
Der Einsatz von Hochleistungswerkstoffen mit verbesserten mechanischen Eigenschaften, wie beispielsweise Superlegierungen, kann das Kriechen erheblich verringern.

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Vorteile und Nachteile des Kriechens:

Vorteile:

Bei bestimmten Anwendungen kann das Kriechen bewusst genutzt werden, um eine kontrollierte Verformung zu erzielen, beispielsweise bei Formgedächtnislegierungen. Das Kriechen kann dazu beitragen, die Lastverteilung in einer Feder zu verbessern und lokale Spannungsspitzen zu reduzieren.

Nachteile:
Übermäßiges Kriechen kann zu unerwünschten Verformungen und Verlusten der Federkraft führen. Das Kriechen kann die Lebensdauer der Feder verkürzen und die Zuverlässigkeit des Systems beeinträchtigen.

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Der Effekt des Kriechens ist ein wichtiges Thema bei der Gestaltung und Verwendung von Federwerkstoffen. Durch das Verständnis der wissenschaftlichen Ursachen und der Einflussfaktoren des Kriechens können Ingenieure gezielte Maßnahmen ergreifen, um das Kriechverhalten zu reduzieren und die Leistung und Zuverlässigkeit von Federanwendungen zu verbessern.
Die Auswahl geeigneter Legierungen, die Anwendung geeigneter Wärmebehandlungen, der Einsatz von Beschichtungen und die Verwendung von Hochleistungswerkstoffen sind wirksame Ansätze zur Minimierung der negativen Auswirkungen des Kriechens.
Es ist jedoch wichtig, die potenziellen Vorteile und Nachteile des Kriechens in Bezug auf die spezifischen Anforderungen einer Anwendung sorgfältig abzuwägen.

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Reiner Schmid Produktions GmbH Spezialist und Experte für die Herstellung, Fertigung, Produktion, Entwicklung und Musterfertigung von Schenkelfedern, Doppelschenkelfedern und Drahtbiegeteile.

Abstrakt:
Die Herstellung, Fertigung und Produktion von Schenkelfedern, Doppelschenkelfedern und Drahtbiegeteile wird in Kleinserien, Großserien und Variantenfertigung durchgeführt.
Die Berechnung, Entwicklung und Prüfung von Schenkelfedern, Doppelschenkelfedern und Drahtbiegeteile erfolgt vor jeder Fertigung.
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Die Schenkelfeder und Schenkelfedern | die Drehfeder und Drehfedern | die Torsionsfeder und die Torsionsfedern:
Zylindrische Schenkelfedern oder auch bezeichnet als Drehfedern, Torsionsfedern, Schraubendrehfedern sind weit verbreitete und vielseitige Maschinenelemente Bauteile in der Welt der Mechanik und der Federtechnik.
Der Aufbau einer zylindrischen Schenkelfeder besteht aus einem Draht, der in gleichmäßigen Windungen schraubenförmig um eine zentrale Achse gewickelt ist.

Schenkelfedern werden verwendet, um eine rotierende Bewegung, ein Drehmoment oder eine Kraft aufzunehmen, abzugeben und die Bewegung der Schenkel zu führen.
Schenkelfedern zeichnen sich durch die Fähigkeit aus Auslenkungen, Kräfte bzw. Drehmomente, um eine Drehachse aufzunehmen, abzugeben und die Drehbewegung zu führen.
Schenkelfedern besitzen einen meist zylindrischen Federkörper an dem zwei Schenkel angeordnet sind.
Die Schenkel können tangential, radial oder axial angeordnet sein, wobei jeder Schenkel eine unterschiedliche Anordnung aufweisen kann. Am Ende der beiden Schenkel können unterschiedliche Federendenformen angebracht sein z.B. gerader Schenkel, Hakenform, Ösenform rund oder eckig.
Die Begriffe "Schenkelfeder", "Drehfeder" und "Torsionsfeder" beziehen sich auf das gleiche Bauteil.
Weitere detaillierte Informationen zu Schenkelfedern, Drehfedern, Torsionsfedern - drehbelastbare gewundene Metallfeder ...

Die Doppelschenkelfeder und Doppelschenkelfedern:
Doppelschenkelfedern, Doppeldrehfedern und Doppeltorsionsfedern sind weit verbreitete und vielseitige Maschinenelemente in der Welt der Mechanik und der Federntechnik.
Der Aufbau einer Doppelschenkelfeder besteht aus einem Draht, der in gleichmäßigen Windungen schraubenförmig zu zwei getrennten Federnkörper gewickelt ist. Die beiden Federkörper sind durch einen Draht, der als Steg meist in U-Form ausgebildet ist, verbunden.
Die Schenkel bzw. Federenden der Doppelschenkelfedern sind meist an der Außenseite des jeweiligen Federkörpers angebracht. Die Kraft- bzw. Momenteneinleitung erfolgt entweder über den U-förmig ausgebildeten Steg oder über die Schenkel. Die Doppelschenkelfeder wird meist über einen Dorn, Achse oder Bolzen geführt.
Doppelschenkelfedern, Doppeldrehfedern und Doppeltorsionsfedern werden verwendet, um eine rotierende Bewegung, ein Drehmoment oder eine Kraft aufzunehmen oder abzugeben. Doppelschenkelfedern zeichnen sich durch die Fähigkeit aus Auslenkungen, Kräfte bzw. Drehmomente, um eine Drehachse aufzunehmen oder abzugeben. Die Schenkel können tangential, radial oder axial angeordnet sein, wobei jeder Schenkel eine unterschiedliche Anordnung aufweisen kann. Am Ende der beiden Schenkel können unterschiedliche Federendenformen angebracht sein z.B. gerader Schenkel, Hakenform, Ösenform rund oder eckig.
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Das Drahtbiegeteil, das Drahtformteil, die Drahtbiegeteile und die Drahtformteile:
In der praktischen Anwendung finden sich standardisierte Drahtbiegeteile und Drahtformteile wie Federringe, Sprengringe, Sicherungsringe, Klammern, Stifte etc. Eine Büroklammer oder eine Tackerklammer gehört auch zu den Drahtbiegeteile, Drahtformfedern und Biegeteile.
Jedoch werden in der praktischen Anwendung meistens nicht-standardisierte, individuelle, anwendungsspezifisch gestaltete Drahtbiegeteile, Drahtformfedern und Biegeteile verwendet.
Dabei steht die Funktion des Bauteils im Vordergrund: z.b. sichern, schützen, halten, positionieren, klemmen oder federn.
Drahtbiegeteile, Drahtformfedern und Biegeteile aus Federstahldraht sind wichtige Komponenten in verschiedenen Industriezweigen und Anwendungen. Drahtbiegeteile sind spezielle Maschinenelemente die meist federnde Eigenschaften besitzen.
Sie werden durch das Biegen von Draht in eine spezifische Form gebracht und bieten eine Vielzahl von Vorteilen in Bezug auf Flexibilität, Kosteneffizienz und Funktionalität.
Weitere detaillierte Informationen zu Drahtbiegeteile, Drahtformfedern und Biegeteile ...