Restspannungen

Restspannungen sind innere Spannungen in einem Werkstoff, die verbleiben, nachdem äußere Lasten oder thermische Beanspruchungen entfernt wurden. Sie entstehen durch nicht gleichmäßige plastische Verformung, Phasenumwandlungen und Temperaturgradienten während der Verarbeitung. Die Restspannungen können Zug- oder Druckspannungen sein und sind räumlich unterschiedlich verteilt, häufig an Oberflächen oder Grenzflächen lokalisiert.

Ursachen umfassen Schweißen, Gießen, Abschrecken, Schmieden, Walzen, Kaltverformen, spanende Bearbeitung und Oberflächenbehandlungen. Die Oberflächenzonen weisen typischerweise kompressive Restspannungen auf, während im Materialinneren oft größere, teils Zugspannungen auftreten. Die Ausprägung hängt von Material, Geometrie, Prozessparametern und Abkühlraten ab.

Messmethoden: Nicht zerstörende Verfahren wie Röntgen- oder Neutronendiffraktometrie ermöglichen die räumliche Erfassung von Spannungen. Zerstörende oder semi-zerstörende Methoden wie das Lochbohren-Verfahren (Hole-Drilling) oder die Konturmethode (Contour Method) liefern lokale oder flächenhafte Spannungsverteilungen. Weitere Messverfahren umfassen Ultraschall- und magnetische Techniken sowie spektrale oder diffraction-basierte Ansätze.

Auswirkungen: Restspannungen beeinflussen Maßhaltigkeit, Verzug und die Belastungslebensdauer von Bauteilen. Kompressive Restspannungen an der Oberfläche können die Ermüdungslebensdauer verbessern, während Zugspannungen Rissinitiierung und -ausbreitung begünstigen können. Sie können auch die Korrosionsneigung und das Verhalten unter zyklischer Belastung beeinflussen.

Steuerung und Minderung: Stressrelief-Glühen oder Tempern reduziert Restspannungen. Oberflächenbehandlungen wie Peening (Shot-, Laserpeening) erzeugen kompressive Oberflächenspannungen und verlängern die Lebensdauer. Die Optimierung der Fertigungsreihenfolge, Wärmebehandlung und Nachbehandlungen (PWHT) trägt ebenfalls zur Kontrolle bei. In der Praxis werden Restspannungen je nach Anforderung genutzt oder vermieden.