Einleitung

Werden Bauteile unter normalen Bedingungen unterhalb der Streckgrenze mit einer konstanten Zugbeanspruchung belastet, so ergibt sich in der Regel eine zeitlich konstante (elastische) Dehnung. Oberhalb der Streckgrenze kommt es zu plastischen Verformungen, die jedoch durch Kaltverfestigungseffekte wieder zum Erliegen kommen können. Unter normalen Umständen wird sich auch in diesem Fall keine weitere Dehnung des Bauteils mehr ergeben. Trotz plastischer Verformung kommt es somit nicht zum Bruch des Bauteils. Diese Verhaltensweisen gelten jedoch nur unter der Voraussetzung, dass das Bauteil nicht allzu hohen Temperaturen ausgesetzt ist. Bei erhöhten Temperaturen verhalten sich Werkstoffe nämlich oftmals anders.

Bei erhöhten Temperaturen stellt man in der Regel ein "aufweichen" des Werkstoffes fest und sowohl die Streckgrenze als auch die Zugfestigkeit nehmen ab. Bis zu gewissen Temperaturen kann dies im Zugversuch mit erwärmten Proben nachgewiesen werden. Die unter erhöhten Temperaturen gewonnenen Streckgrenzen werden dann als Warmstreckgrenzen bezeichnet. Die Warmstreckgrenzen können jedoch nur dann als Grundlage für die Konstruktion von Bauteilen herangezogen werden, wenn das nachfolgend erläuterte Kriechen nicht eintritt oder vernachlässigt werden kann.

So können hohe Temperaturen auch dazu führen, dass Werkstoffe bei langanhaltender Beanspruchung ihre klassische Elastizitätsgrenze verlieren. Der Werkstoff dehnt sich bei noch so geringen Spannungen über eine längere Zeit irreversibel. Diese über einen längeren Zeitraum andauernde plastische Verformung bei erhöhter Temperatur und unter statischer Beanspruchung wird auch als Kriechen bezeichnet. Die Ursache des Kriechens ist im Abschnitt Kriechmechanismus näher erläutert. Das Kriechen nimmt grundsätzlich mit folgenden Einflussgrößen zu:

  • Beanspruchungshöhe, 
  • Beanspruchungstemperatur und
  • Beanspruchungsdauer

In Zugversuchen kann das Kriechverhalten nicht realitätsgetreu erfasst werden, da die Probe unter zügig steigender Beanspruchung relativ schnell verformt und zum Bruch geführt wird. Die zeitgesteuerten Kriechvorgänge treten dann in den Hintergrund. Dies gilt auch für die im Warmzugversuch ermittelten Warmstreckgrenzen. Aus diesem Grund finden Versuche statt, die bei konstanter Zugbeanspruchung über einen relativ langen Zeitraum bei erhöhter Temperatur gefahren werden und so das stattfindende Kriechen erfasst werden kann. Diese sogenannten Zeitstandversuche können in Langzeitversuchen einen Zeitraum von mehreren Jahren (!) umfassen.

  • Der Zeitstandversuch dient der Untersuchung der Warmfestigkeit von Werkstoffen, die über längeren Zeitraum einer konstanten Beanspruchung bei erhöhter Temperatur unterliegen.

 

Zeitstandversuch, Kriechversuch, Warmfestigkeit, Warmstreckgrenze, Zeitdehngrenze, Zeitstandfestigkeit

Abbildung: Zeitstandversuch (schematisch)

Der Zeitstandversuch hat bspw. bei Werkstoffen für Turbinenschaufeln oder für Schrauben von Druckbehältern eine große Bedeutung. Beachte, dass das Phänomen des Kriechens auch bei relativ niedrigen Temperaturen auftritt. Jedoch laufen die hierfür notwendigen Vorgänge in der Regel so langsam ab, sodass das Kriechen bei Raumtemperatur für metallische Werkstoffe in der Praxis keine Bedeutung hat. Erst im Bereich ab ca. 40 % der Schmelztemperatur (in Kelvin) ist mit einem technisch relevanten Kriechverhalten zu rechnen. Für Baustähle bedeutet dies, dass Kriechvorgänge ab Temperaturen von etwa 400 °C zu berücksichtigen sind.