Festkörperstress

Festkörperstress bezeichnet innere Kräfte pro Flächeneinheit, die in einem festen Körper wirken. Diese Kräfte entstehen durch äußere Lasten, Randbedingungen, Temperaturunterschiede oder plastische Verformung und werden üblicherweise durch einen Stress-Tensor beschrieben.

Es gibt externe (angelegte) Spannungen und innere Restspannungen. Letztere bleiben nach Verformung, Wärmebehandlung oder Phasenumwandlungen im Material erhalten. Thermischer Stress entsteht, wenn Temperaturgradienten oder unterschiedliche Wärmeausdehnungen zu Spannungen führen. In anisotropen Kristallen können die Spannungen je nach Richtung variieren; in isotropen Materialien vereinfacht sich die Beschreibung oft auf uniaxiale Spannungen.

Mathematisch folgt Spannung-Dehnung aus der Kontinuumsmechanik. In linearen, elastischen, isotropen Materialien gilt im uniaxialen Fall sigma = E epsilon. Allgemein gilt sigma_ij = C_ijkl epsilon_kl, wobei C der Elastizitätstensor ist. Hauptspannungen, hydrostatischer Stress und der deviatorische Anteil beschreiben die Belastung. Für das Materialverhalten charakterisiert das Yield-Kriterium, etwa das von Mises, den Übergang von elastisch zu plastisch.

Messverfahren umfassen Röntgen- oder Neutronenbeugung zur axialen Spannungsmessung, Bohrlochverfahren, Kontur-Methode, digitale Bildkorrelation sowie Raman-Spektroskopie. Praktisch relevante Größenordnungen liegen im Megapascal-Bereich.

Stresssituationen beeinflussen Festigkeit, Ermüdung und Rissausbreitung. Restspannungen können Verzug verursachen oder die Lebensdauer reduzieren. In der Praxis werden Spannungen durch Fertigungsverfahren wie Schmieden, Schweißen oder Wärmebehandlung erzeugt. Oberflächenbehandlungen wie Shot Peening werden eingesetzt, um kompressive Restspannungen zu erzeugen und die Oberflächenfestigkeit zu erhöhen.

Maßeinheit: Der Druck wird in Pascal gemessen; übliche Größenordnungen liegen im MPa-Bereich.