Randspannungen

Randspannungen bezeichnen in der Technik Spannungen, die an Rändern, Oberflächen oder Grenzflächen eines Bauteils besonders hoch oder charakteristisch verteilt auftreten. Sie unterscheiden sich von inneren, Bulk- oder Gleichgewichtsspannungen. Randspannungen entstehen durch geometrische Diskontinuitäten (Kanten, Löcher, Ecken), Randbedingungen (Auflagerungen, Kontakte) sowie durch Fertigungsprozesse wie Zerspanung, Wärmebehandlung, Abkühlung, plastische Formung oder Oberflächenbehandlung. Thermische Gradeiten, Unterschiede in Materialeigenschaften und Phasenwechsel können zusätzlich zu Randspannungen beitragen.

Durch die Konzentration an Kanten und Grenzflächen beeinflussen Randspannungen die Bauteilfestigkeit, besonders Ermüdungsverhalten und Rissausbildung. Die lokale Spannung kann durch den Spannungskonzentrationsfaktor Kt beschrieben werden, der an geometrischen Diskontinuitäten erhöht ist. Randspannungen spielen eine zentrale Rolle in Verbundwerkstoffen und Dünnfilmen, in denen Substrat und Beschichtung unterschiedliche Steifigkeiten aufweisen.

Messung und Berechnung erfolgen durch experimentelle Techniken wie Röntgen- oder Neutronenbeugung zur Bestimmung von Oberflächen- oder Tiefenspannungen, durch Lochbohr- oder Konturmethode zur residualen Spannungsfeldmessung oder durch Finite-Elemente-Analysen. In der Praxis werden Randspannungen oft durch Simulation modelliert, um Auswirkungen auf Lebensdauer und Versagen zu bewerten.

Schutz und Reduktion lassen sich durch Geometrieoptimierung (abgerundete Ecken, Vermeidung scharfer Kanten), passende Passungen, kontrollierte Wärmebehandlung zur Spannungsentlastung sowie Oberflächenbehandlungen oder Schutzschichten erreichen.