Temperaturspannungen

Temperaturspannungen, auch thermische Spannungen genannt, entstehen in Bauteilen infolge von Temperaturänderungen, wenn die durch Randbedingungen oder Werkstoffunterschiede gegebene freie Ausdehnung eingeschränkt wird. Ohne Einschränkungen würde sich das Material frei ausdehnen oder zusammenziehen und es gäbe keine inneren Spannungen.

Bei starren Verbindungen, festen Lagern oder Mehrschichtaufbauten verhindert die Randbedingung die vollständige Verformung, wodurch mechanische Spannungen auftreten. Neben homogener Ausdehnung kann auch ein Temperaturgradient innerhalb eines Bauteils zu Biegung, Verzug oder verzerrter Form führen.

Für einen einfachen, starren Stab der Länge L, dessen Enden festgehalten sind, gilt in der Annahme linearer Elastizität sigma = E * alpha * delta T. Dabei ist E der Elastizitätsmodul, alpha der lineare Wärmeausdehnungskoeffizient und delta T die Temperaturänderung. Bei freier Expansion beträgt sigma null. In Bauteilen mit Temperaturgradienten führen ungleiche Längenänderungen zu Biegemomenten und komplexeren Spannungsverläufen.

In Mehrmaterialaufbauten ergibt sich Spannung aus dem Unterschied der Wärmeausdehnungskoeffizienten (delta alpha) und delta T; die resultierenden Belastungen hängen von Geometrie und Randbedingungen ab.

Auswirkungen und Bedeutung: Temperaturspannungen können zu Warpage, Rissbildung, vorzeitigem Ermüdungsbruch oder anderen Verformungen führen, insbesondere beim Schweißen, Gießen, Löten, Elektronikgehäusen oder Verbundwerkstoffen.

Vermeidung erfolgt durch Materialauswahl mit ähnlichen CTE, gezielte Gestaltung mit Freiraum und Fugen, Vor- oder Nachbehandlung sowie Einsatz von Schichten mit schrittweiser CTE-Anpassung. Bei komplexen Geometrien werden Temperaturspannungen oft mittels Finite-Elemente-Methode berechnet.