Temperaturwechselbeständigkeit

Beständigkeit eines Werkstoffes gegen wiederholten Temperaturwechsel im Dauerbetrieb.

Temperaturwechsel stellen eine besonders scharfe Beanspruchung des Werkstoffes dar. In der Regel muss man daher mit einer begrenzten Lebensdauer der Werkstoffe rechnen, Risse oder Verformungen können das Bauteil unbrauchbar machen. Für den Konstrukteur stellt sich das Problem, dass die Temperaturwechselbeständigkeit bzw. Thermoschockbeständigkeit keine grundlegende, rechnerisch erfassbare Werkstoffgröße ist, wie beispielsweise die Härte oder die Zugfestigkeit, sondern einen Eigenschaftskomplex darstellt, der zudem sehr stark von den Einsatzbedingungen abhängt. Im Wesentlichen unterscheidet man vier Typen:

1. So genannte Brandrisse, die in Form eines zusammenhängenden Rissnetzwerkes auf der heißen Seite des Werkstückes auftreten. Im Zusammenhang damit können auch größere Risse durch die gesamte Wanddicke vorliegen.

2. Verformungen, die die Funktion des Bauteiles beeinträchtigen oder seinen Wiederaufbau nach einer Montage verhindern. Dies tritt bevorzugt bei Bauteilen aus Gusseisen mit Kugelgrafit auf.

3. Große, durchgehende Risse, die bereits bei den ersten Temperaturwechseln das Bauteil zerstören. Derartige Risse sind als Fehlererscheinungen zu betrachten, da sie auf falscher Werkstoffzusammensetzung, falschem Gefüge, Gussfehlern, übermäßigen Eigenspannungen oder auf einer an die Temperaturwechselbeanspruchung nicht angepassten Konstruktion beruhen.

4. Starke innere und äußere Oxidation: Diese Ausfallursache wird zwar häufig nicht den Temperaturwechseln, sondern der hohen Betriebstemperatur zugeschrieben, doch beschleunigen Temperaturwechsel sehr erheblich die Verzunderung und die innere Oxidation.

Die Ursache all dieser verschiedenen Arten der Werkstoffschädigung und -zerstörung sind Spannungen, die aufgrund behinderten thermischen Ausdehnens oder Zusammenziehens beim Aufheizen und Abkühlen des Bauteils entstehen. Sie sind der Temperaturdifferenz, dem Elastizitätsmodul und dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Werkstoffes proportional. Sie können entweder darauf beruhen, dass ein zyklisch erwärmtes Bauteil starr eingespannt ist oder dass in einem Teil während des Aufheizens und Abkühlens Temperaturdifferenzen entstehen. Für die unter diesen Bedingungen auftretenden Spannungen σth gilt die einfache Beziehung (Glg. 1):G

lg. 1:
sigma_t_h = frac{E cdot alpha cdot Delta T cdot S}{y - 1}

E = Elastizitätsmodul
α = thermischer Ausdehnungskoeffizient
ΔT = Temperaturdifferenz
S = Formfaktor
γ = Poisson-Zahl

Diese Formel kann allerdings weder für eine quantitative Abschätzung der Spannung noch für die Ermittlung eines Werkstoffkennwertes für die Temperaturwechselbeständigkeit benutzt werden, so dass sie daher auch nicht als Konstruktionsgrundlage dienen kann. Der Grund ist, dass die in diese Formel eingehenden Werkstoffgrößen sowohl temperatur- als auch zeitabhängig sind.

Die thermischen Spannungen sind für den wärmeren Teil des Gussstückes Druckspannungen, für den kälteren Teil Zugspannungen. Sie können in manchen Fällen die Zugfestigkeit fast erreichen oder sogar überschreiten, so dass sehr schnell Risse auftreten. Gewöhnlich bilden sich diese nach einer bestimmten Zahl von Temperaturwechseln in folge Überschreitens der Dauerwechselfestigkeit.

Die Risse treten fast stets in der Abkühlungsphase auf, es sei denn, dass beim Aufheizen in der warmen Partie so hohe Druckspannungen entstehen, dass im kalten Teil des Bauteils die Zugfestigkeit überschritten wird.

Zurück zur Übersicht