Der Effekt der Relaxation, des Kriechens und der Hysterese bei Federwerkstoffen eine Gegenüberstellung

Vergleich, praktische Bedeutung und Einfluss

Der Effekt des Kriechens, Relaxation und der Hysterese sind wichtige Phänomene, die bei Federwerkstoffen auftreten und ihre Leistung beeinflussen.
Kriechen, Relaxation und Hysterese treten nach dem Herstellungsprozess im praktischen Betrieb der Metallfedern auf.
Kriechen und Relaxation verändern die Konstruktionsdaten der Metallfeder wie ungespannte Abmessungen und die Federsteifigkeit (Federrate).
Kriechen und Relaxation haben unterschiedliche werkstoff-physikalische Ursachen.

Unter Kriechen einer Metallfeder versteht man eine Abmessungsänderung (z.B. Längenänderung dL>L0-L0(t), Winkeländerung dAlpha>Alpha0-Alpha0(t)) bei konstant wirkender Belastung oder Spannung über einen bestimmten Zeitraum z.B. 100 Stunden. Die Abmessungsänderung nimmt mit der Zeit ab. Bei einer Druckfeder zum Beispiel erzeugt das Kriechen bei konstanten Belastung / Spannung eine Verkürzung der ungespannten Länge L0, so dass dadurch die geometrischen Hauptabmessung verändert wird.

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.

Unter Hysterese einer Metallfeder versteht man einen unterschiedlichen Kennlinienverlauf (F(s), M(Alpha), Kraft-Weg-Kennlinendiagramm, Federsteifigkeitdiagramm) bei Belastung und bei Entlastung der Metallfeder (F(+s) ≠ F(-s)). Die Hysterse wird meist durch innere (Werkstoff) und äußere Reibung (Anbauteile) beeinflusst.
Es handelt sich um ein Systemverhalten und besitzt eine Pfadabhängigkeit. Es entsteht dadurch eine sogenannte "Hystereseschleife".

Kriechen und Relaxation bei Federwerkstoffen sind zeit- und tempaturabhängige Werkstoffeffekte und verändern die Hauptabmessungen und Kennlinienwerte der Metallfeder.
Kriechen und Relaxation wird meist unter dem Sammelbegriff Setzverhalten oder Setzung beschrieben. Die Hysterese bei Federwerkstoffen beschreibt unterschiedliche Kraft-Weg-Kurven bei Belastung und bei Entlastung.


Kriechen:
Kriechen bezieht sich auf die langsame und dauerhafte Verformung eines Federwerkstoffs unter konstanter Belastung. Bei erhöhter Temperatur nimmt die Kriechneigung eines Materials zu, was zu einer beschleunigten Verformung und einem möglichen Verlust an Federkraft führen kann. Dieser Effekt ist besonders relevant, wenn Federwerkstoffe langfristig hohen Temperaturen ausgesetzt sind. Es tritt aufgrund der Diffusion von Atomen im Material auf, wodurch die Bindungen allmählich ihre Position verändern. Kriechen wird durch hohe Temperaturen begünstigt, da die Atombeweglichkeit bei erhöhter Temperatur zunimmt.

Der Kriechbetrag k bei einer Druckfeder wird in Prozent ausgedrückt und berechnet sich zu:
Kriechbetrag k in Prozent [%]: k = ( (L0 - L0(t)) / (L0 - L1) ) * 100%


Relaxation:
Relaxation bezieht sich auf den Verlust an Spannung oder Federkraft einer Metallfedern im Laufe der Zeit 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 werden, was zu einem schnelleren Verlust an Spannung und Federkraft führen kann. Dies kann insbesondere bei Metallfedern, die unter hohen Temperaturen arbeiten, zu berücksichtigen sein. Die Ursache für Relaxation liegt in der Materialstruktur und den Bindungsmechanismen auf atomarer Ebene.

Der Relaxationsbetrag r bei einer Druckfeder wird in Prozent ausgedrückt und berechnet sich zu:
Relaxationsbetrag r in Prozent [%]: r = ( (F1 - F1(t)) / F1) * 100%


Hysterese:
Hysterese tritt bei Federwerkstoffen während der Belastungs- und Entlastungsphasen auf. Es beschreibt den Unterschied in der Federkraft zwischen dem Aufbringen einer Belastung und dem Entfernen dieser Belastung. Bei erhöhter Temperatur kann sich die Elastizität des Federwerkstoffs ändern, was zu einer Veränderung der Hysteresekurve führen kann. Dies kann zu einer Verschiebung der Federkraft und einer möglichen Beeinträchtigung der präzisen Steuerung der Kraft führen. Es entsteht aufgrund von Energiedissipation im Material, beispielsweise durch elastische Verformungen und Reibungseffekte. Hysterese kann auch durch interne Spannungen und Mikrostrukturänderungen im Material verursacht werden.


Die wichtigsten Unterschiede zwischen diesen Effekten liegen in ihrer zugrunde liegenden Ursache und den spezifischen Auswirkungen auf die Verwendung:

Kriechen bezieht sich auf die langsame und dauerhafte Verformung eines Federwerkstoffs unter konstanter Belastung, was zu einer Abnahme der Federlänge und Federkraft führt.
Relaxation bezieht sich auf den Verlust an Spannung oder Federkraft unter bei konstanter Dehnung und führt zu einer Verringerung der Federlänge und Federkraft.
Hysterese beschreibt den Unterschied in der Federkraft zwischen Belastung und Entlastung und kann die präzise Steuerung der Federkraft beeinflussen.


Bei erhöhter Temperatur verstärken sich diese Effekte (Relaxation, Kriechen, Hysterese) in der Regel, da die thermischen Bedingungen die Eigenschaften des Federwerkstoffs beeinflussen können. Es ist daher wichtig, bei der Auswahl von Federwerkstoffen die temperaturabhängigen Eigenschaften zu berücksichtigen und gegebenenfalls Maßnahmen zu ergreifen, um die Auswirkungen von Relaxation, Kriechen und Hysterese zu minimieren.


Um die Effekte von Relaxation, Kriechen und Hysterese bei Federwerkstoffen zu minimieren, gibt es verschiedene Möglichkeiten, die angewendet werden können:

Materialauswahl:
Die Auswahl des richtigen Federwerkstoffs ist entscheidend, um die gewünschten Eigenschaften zu erreichen. Es gibt spezielle Federwerkstoffe, die eine geringere Relaxation und Kriechneigung aufweisen. Beispielsweise können hochfeste Stähle oder spezielle legierte Stähle verwendet werden, die für ihre gute Federleistung bekannt sind.
Wärmebehandlung:
Durch gezielte Wärmebehandlungen können die Eigenschaften des Federwerkstoffs optimiert werden. Eine solche Behandlung kann die Relaxation und Kriechneigung reduzieren. Beispielsweise kann eine Spannungsarmglühung den inneren Spannungszustand des Materials verbessern und die Relaxation verringern.
Federkonstruktion:
Die Gestaltung der Feder selbst kann einen Einfluss auf die Effekte haben. Eine sorgfältige Auslegung der Federgeometrie, wie zum Beispiel die Wahl der richtigen Drahtdicke, Windungszahl und Federsteigung, kann dazu beitragen, die Effekte zu minimieren.
Oberflächenbehandlung:
Eine spezielle Oberflächenbehandlung wie Beschichten oder Veredeln des Federwerkstoffs kann die Reibung und den Verschleiß reduzieren. Dies kann dazu beitragen, die Hysterese zu verringern und die Lebensdauer der Feder zu verlängern.
Temperaturkontrolle:
Die Betriebstemperatur kann einen erheblichen Einfluss auf die Effekte haben. Wenn möglich, kann die Temperaturkontrolle eine Möglichkeit sein, die Auswirkungen von Relaxation, Kriechen und Hysterese zu reduzieren. Dies kann durch den Einsatz von Wärmeschutzmaßnahmen oder einer gezielten Kühlung erreicht werden.


Der Effekt des Kriechens:

Ursache:
Das Kriechen bezieht sich auf die langsame plastische Verformung einer Feder unter konstanter Belastung im Laufe der Zeit. Kriechen tritt durch Schädiguung des inneren Werkstoffverbunds auf. Dabei werden Veränderungen im inneren des Werkstoffs zwischen den Korngrenzen hervorgerufen, z.B. die Bewegung von Versetzungen und die Neuanordnung der Atome im Werkstoff.
Einflüsse:
Das Kriechen wird stark von der Temperatur, der Belastung und der Zeit beeinflusst. Höhere Temperaturen und größere Belastungen beschleunigen das Kriechen, während längere Zeiträume zu einer größeren Verformung führen können.
Praktische Bedeutung:
Das Kriechen kann zu einer dauerhaften Verformung der Feder führen, was in einigen Anwendungen problematisch ist. Beispielsweise kann es bei Fahrzeugfedern zu einer Änderung der Fahrzeughöhe oder bei Federn in Bauwerken zu einer Beeinträchtigung der Strukturintegrität führen.


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.


Der Effekt der Hysterese:

Ursache:
Die Hysterese tritt auf, wenn es eine Differenz zwischen der Belastung und der Entlastung einer Feder gibt. Sie resultiert aus Mikroplastizität und reversiblen Phasenumwandlungen im Werkstoff.
Einflüsse:
Die Hysterese wird von verschiedenen Faktoren beeinflusst, darunter die Temperatur, die Belastung, die Zeit und die Legierungsbestandteile. Höhere Temperaturen, längere Zeiträume und größere Belastungen können die Hysterese verstärken.


Praktische Bedeutung - Kriechen, Relaxation, Hysterese:

Die Hysterese kann in einigen Anwendungen nützlich sein, um unerwünschte Schwingungen zu reduzieren oder eine Dämpfungswirkung zu erzeugen. Jedoch kann sie zu Energieverlusten führen und die Präzision von Federanwendungen beeinträchtigen.

Vergleich der Effekte und praktische Bedeutung:

Die Relaxation, das Kriechen und die Hysterese sind alle wichtige Effekte, die die Leistung von Federwerkstoffen beeinflussen.
In Bezug auf die praktische Bedeutung kann es je nach Anwendung Unterschiede geben. In einigen Anwendungen, in denen Präzision und konstante Federkräfte entscheidend sind, kann die Relaxation einen größeren Einfluss haben. In anderen Anwendungen, bei denen dauerhafte Verformungen vermieden werden müssen, kann das Kriechen von größerer Bedeutung sein. Die Hysterese kann in Anwendungen, in denen Schwingungen gedämpft werden sollen, von Vorteil sein, kann jedoch in Präzisionsanwendungen Nachteile mit sich bringen.


Beispiele zur Reduzierung der Effekte - Kriechen, Relaxation, Hysterese:

Um die Relaxation zu reduzieren, können hochfeste Federwerkstoffe mit geringerer Versetzungsaktivität und geeignete Wärmebehandlungen eingesetzt werden.
Das Kriechen kann durch die Auswahl von Werkstoffen mit geringer Kriechneigung, Optimierung der Belastungsdauer und Anwendung geeigneter Wärmebehandlungen minimiert werden. Die Hysterese kann durch Oberflächenbehandlungen, geometrische Optimierung und den Einsatz von Werkstoffen mit reduzierter Versetzungsaktivität verringert werden.


Vorsetzen:
Um Kriechen und Relaxation im Betriebzustand zu reduzieren kann eine Metallfeder vorgesetzt werden.
Durch das Vorsetzen nimmt man der Effekt des Kriechens und der Relaxation teilweise vorweg.
Bei einer Druckfeder z.B. belastet man diese - nach der Herstellung - für eine bestimmte Zeit und Temperatur auf Block. Das bedeutet bis alle Windungen aufeinander liegen. Das Vorsetzen der Feder wird im Anschluss an die Herstellung der Feder als zusätzlicher Arbeitsgang erledigt und vermindert deutlich die Längen- und Kraftreduzierung im Betriebszustand. Die Reduzierung der Längen- und Kraftreduzierung muss bei der Konstruktion und Auslegung der Feder miteingerechnet werden.
Dies ist insbesondere dann wichtig wenn genaue Federkennlinien über den gesamten Betriebzeitraum gewünscht werden.


Die Effekte des Kriechens, der Relaxation und der Hysterese spielen eine wichtige Rolle bei Federwerkstoffen und können deren Leistung beeinflussen.
Es ist entscheidend, diese Effekte zu verstehen und geeignete Maßnahmen zu ergreifen, um ihre Auswirkungen zu reduzieren. Die Auswahl geeigneter Werkstoffe, die Anwendung von Wärmebehandlungen, Oberflächenbehandlungen und die Optimierung der Federgeometrie sind wirksame Ansätze zur Minimierung dieser Effekte.
Die praktische Bedeutung der Effekte variiert je nach Anwendung, und daher ist eine sorgfältige Abwägung der Vorteile und Nachteile erforderlich, um die optimalen Federwerkstoffe und -konstruktionen für spezifische Anforderungen zu gewährleisten.