Der Effekt der Relaxation bei Federwerkstoffen

Ursachen, Einflüsse, Bedeutung und Reduzierung

Die Relaxation ist ein bedeutender Effekt, der bei Federwerkstoffen auftreten kann und einen wesentlichen Einfluss auf ihre Leistungsfähigkeit hat.

Unter Relaxation einer Metallfeder versteht man eine Kraftänderung dF>Fx-Fx(t) bei einer konstant wirkenden Dehnung oder Verformung über einen bestimmten Zeitraum und meist bei erhöhter Temperatur z.B. 50 Stunden bei 50 Grad. Die Relaxation nimmt mit der Temperatur zu. Bei einer Druckfeder zum Beispiel erzeugt die Relaxation bei konstant wirkender Dehnung / Verformung eine Verkürzung der ungespannten Länge L0, so dass dadurch die geometrische Hauptabmessung, ähnlich wie beim Kriechen, verändert wird.


Relaxation:

Relaxation bezieht sich auf den Verlust an Spannung oder Federkraft einer Metallfedern im Laufe der Zeit (Zeitabhängigkeit) bei konstanter Dehnung. Dieser Effekt tritt aufgrund von Materialermüdung und der Anpassung des Metallfederwerkstoffs an die Belastung auf. Bei erhöhter Temperatur kann die Relaxationseigenschaft eines Federwerkstoffs verstärkt (Temperaturabhängigkeit) werden, was zu einem schnelleren Verlust an Spannung und Federkraft führen kann. Dies muss insbesondere bei Metallfedern, die unter hohen Temperaturen eingesetzt werden, berücksichtigt werden. Die Ursache für Relaxation liegt in der Materialstruktur und den Bindungsmechanismen auf atomarer Ebene.


Berechnung des Relaxationsbetrags r bei einer Druckfeder (Formel):

Relaxationsbetrag r in Prozent [%]: r = ( (F1 - F1(t)) / F1) * 100% konstante Verformung s während des Verformungszeitraums t
F1 N (Kraft F1 bei Verformungsbeginn bei einer konstanten Einspannlänge L1)
F1(t) mm (Kraft F1(t) nach Verformungszeit t mit F(t) < F1; dF = F1 - F(t) > 0)
dF in mm (reduzierte Federkraft nach dem Verformungszeitraums t); dF = F1 - F(t) L0 mm (Länge vor Verformungsbeginn)
L1 mm (konstante gespannte Länge während des Verformungszeitraums t)
s1 mm (konstanter Federweg mit s1 = L0 - L1)
 Beschreibung der Kraftänderung:
Nach dem Verformungszeitraum t stellt sich eine bleibende reduzierte F1(t) ein. F(t) = F1 - dF.
Das bedeutet, dass die ursprüngliche Federkraft F1 (bei Verformungsbeginn) nach dem Verformungszeitraum t nicht mehr erreicht wird.
Nach dem Verformungszeitraum t wird eine reduzierte Kraft F(t) erreicht, die um dF reduziert ist.
Mit zunehmender Einwirkzeit t der konstanten Verformung s1 nimmt die abnehmende Kraftänderung dF(t) ab und strebt asymptotisch gegen einen Federkraftgrenzwert F1(t).
 Es gelten folgende Größenvergleiche nach dem Verformungszeitraum t:
L1 < L0; s1 < L0; L1 = konstant; F1(t) < F1; dF < F1


Der Effekt der Relaxation:

Ursache:
Die Relaxation bezieht sich auf den Verlust der Spannung in einer Feder im Laufe der Zeit bei konstanter Dehnung oder Belastung. Sie tritt aufgrund der internen Diffusion bzw. Reorganisation der Atome im Werkstoffinneren auf. Je höher die Temperatur des Werkstoff desto größer ist die Relaxation.
Einflüsse:
Die Relaxation wird von mehreren Faktoren beeinflusst, darunter die Temperatur, die Zeit, die Belastung und die Legierungsbestandteile im Werkstoff. Höhere Temperaturen und längere Zeiträume erhöhen die Relaxation, während höhere Belastungen zu einer schnelleren Relaxation führen können.
Praktische Bedeutung:
Die Relaxation kann zu einer Veränderung der Federkraft führen, was in einigen Anwendungen unerwünscht ist. Beispielsweise können sich in Präzisionsinstrumenten oder medizinischen Geräten die Federkräfte im Laufe der Zeit ändern und so die Funktionalität beeinträchtigen.


Einflüsse auf die Relaxation:

Temperatur:
Höhere Temperaturen beschleunigen die Atombewegung, wodurch die Relaxation verstärkt wird. Die genaue Beziehung zwischen Temperatur und Relaxation kann durch die Aktivierungsenergie bestimmt werden, die für den Diffusionsprozess benötigt wird.
Zeit:
Die Relaxation setzt schrittweise ein und nimmt mit zunehmender Zeit kontinuierlich zu. Dieser Effekt wird durch die kinetische Rate der Atombewegung bestimmt.
Belastung:
Höhere Belastungen führen zu einer intensiveren Atombewegung und damit zu einer verstärkten Relaxation. Die genaue Beziehung zwischen Belastung und Relaxation kann durch das Hookesche Gesetz und die elastische Dehnung des Werkstoffs beschrieben werden.
Legierungsbestandteile im Werkstoff:
Bestimmte Legierungsbestandteile können die Relaxation beeinflussen. Zum Beispiel können Legierungsbestandteile wie Silizium, Chrom, Molybdän und Vanadium die Relaxationsempfindlichkeit verringern und die Stabilität der Mikrostruktur verbessern. Durch Legierungsoptimierung kann die Relaxation reduziert werden.


Reduzierung der Relaxation:

Um die Auswirkungen der Relaxation zu minimieren, können verschiedene Strategien angewendet werden.

Auswahl geeigneter Werkstoffe:
Die Auswahl von Federwerkstoffen mit geringer Relaxationsempfindlichkeit kann den Effekt reduzieren. Legierungen mit spezifischen Legierungsbestandteilen können dabei hilfreich sein.
Beispiele für solche Legierungen sind X7CrNiAl17-7 (1.4568) und X10CrNiTi18-9 (1.4310).
Wärmebehandlung:
Durch geeignete Wärmebehandlungsverfahren wie Spannungsarmglühen oder Kaltverfestigung können die mechanischen Eigenschaften des Werkstoffs optimiert und die Relaxation reduziert werden.
Konstruktionsanpassungen:
Durch eine optimierte Federgeometrie und Vorspannung können die Auswirkungen der Relaxation verringert werden. Beispielsweise können Mehrfachfedern oder Kombinationen aus Druck- und Zugfedern verwendet werden, um die Federkraftstabilität zu verbessern.


Nachteile der Relaxation:

Die Relaxation kann zu verschiedenen praktischen Nachteilen führen.

Leistungseinbußen:
Die Abnahme der Federkraft im Laufe der Zeit kann zu einer Verringerung der Leistungsfähigkeit von Federanwendungen führen. Dies kann zu Funktionsstörungen, unzureichender Belastung oder vorzeitigem Versagen führen.
Ungenauigkeiten von Federbaugruppen:
Wenn die Relaxation nicht angemessen berücksichtigt wird, können Federbaugruppen ungenau und unzuverlässig sein. Dies kann zu Abweichungen in der Funktion, ungleichmäßigen Belastungen und Qualitätsproblemen führen.


Die Relaxation ist ein bedeutender Effekt bei Federwerkstoffen, der erhebliche Auswirkungen auf ihre Leistungsfähigkeit hat.
Durch das Verständnis der genauen wissenschaftlichen Ursachen und der Einflussfaktoren wie Temperatur, Zeit, Belastung und Legierungsbestandteile können Ingenieure geeignete Strategien zur Reduzierung der Relaxation entwickeln.
Eine sorgfältige Werkstoffauswahl, optimierte Wärmebehandlung und Konstruktionsanpassungen sind entscheidend, um die Auswirkungen der Relaxation zu minimieren und die Funktionalität und Zuverlässigkeit von Federanwendungen zu gewährleisten.
Es ist wichtig, die Relaxation in den Konstruktions- und Entwicklungsprozessen angemessen zu berücksichtigen, um die langfristige Leistung der Federwerkstoffe zu gewährleisten.