Wie lassen sich Spannungen im Bauteil vermeiden?

Im Dilatometer eingespannte Probe

Wie lassen sich Spannungen im Bauteil vermeiden?

Hatten Sie auch schon einmal das Problem, dass eine Metalltür im Sommer einfach nicht schließen wollte und es im Winter umso mehr durch Ritzen zog?

Vielleicht nicht, aber ganz sicher ist Ihnen schon mal ein Glas zersprungen, weil Sie zu heißes Wasser hineingegossen haben.

Sei es die Metalltür oder das Glas: Bei beiden Situationen stellen Temperaturwechsel die Ursache für die Probleme dar. Auch Keramiken, die für ihre gute thermische Stabilität bekannt sind, können bei steigenden Temperaturen versagen. Denn jeder Werkstoff besitzt eine für ihn charakteristische thermische Längenänderung und diese Längenänderungen führen zu Spannungen im Gefüge.

Sichtbar gemacht wird das thermische Verhalten, indem die Längenänderung während des Aufheizens und Abkühlens aufgezeichnet wird. Eine Messmethode stellt die mechanische Dilatometrie dar.

Im Dilatometer eingespannte Probe
Probe im Probenhalter des Dilatometers zur Bestimmung der thermischen Längenänderung. Probekörper können eine Länge von 10 bis 50 mm besitzen.

Längenänderungen von Bauteilen bei sich ändernder Temperatur können verschiedene Ursachen haben. Generell wird in zwei Kategorien unterschieden:

  • Irreversibel
  • Reversibel

Bei irreversiblen Längenänderungen stimmen Anfangsgeometrie und die Abmessungen nach der thermischen Behandlung einer Probe oder eines Bauteils nicht überein.

Ein klassisches Beispiel für ein „Schrumpfen“ wäre das Sintern von Keramiken. Durch das Verschmelzen von Körnern und das damit verbundene Füllen von Porenraum, kommt es zu einer Kompaktierung. Andere irreversiblen Längenänderungen stammen von Änderungen im Phasenbestand. Hier wären unter anderem das Entwässern von Tonen oder das Entgasen von CO2 aus Carbonaten zu nennen.

Es kann jedoch auch zu irreversiblen Längenänderungen kommen, bei denen die Probe „wächst“. Hier spielen zum Beispiel chemische Reaktionen, wie das Oxidieren von Metallen eine Rolle.

Irreversible Längenänderungen sind meistens beabsichtigt, wie beim Sintern, oder können verhindert werden, indem die maximalen Brenntemperaturen oder die Atmosphäre angepasst werden.

Reversible Längenänderungen sind hingegen schwerer zu umgehen – wenn sie überhaupt bemerkt werden! Denn wie es der Name schon sagt, stimmen hier Anfangs- und Endgeometrie überein. Die reversible Längenänderung wird durch das weiter-Auseinanderrücken von Atomen in einem Kristall oder Glas herbeigeführt, ein natürliches Phänomen bei der Erhöhung der Temperatur.

Ein gutes Beispiel für eine reversible Längenänderung stellt ein Einkristall aus Al2O3 – auch als Korund oder Saphir bezeichnet – dar. Hier folgt die Ausdehnung bei steigender Temperatur einem nahezu linearen Trend. Beim Abkühlen zieht sich das Material genauso wieder zusammen. Aus diesem Grund wird Korund auch gerne als Kalibrierstandard für viele Hochtemperaturversuche verwendet.

Eine genauso wichtige Hochleistungskeramik wie Al2O3 stellt ZrO2 dar. Das thermische Verhalten von ZrO2 ist ebenfalls von einer reversiblen Längenänderung geprägt. Im Gegensatz zu Al2O3 macht sich diese bei ZrO2 jedoch häufig auf unschöne Weise bemerkbar: Durch Schadensfälle.

Durch die thermische Längenänderung kam es zu Spannungen in diesem Zirconiumoxid-Bauteil, sodass es zur Rissbildung kam.

Das liegt an dem Kristallgitter des ZrO2. Bei Raumtemperatur liegt das Material – auch als Baddeleyit bezeichnet – in einer monoklinen Kristallstruktur vor. Monokline Strukturen sind durch eine niedrige Symmetrie in Bezug auf die Anordnung der einzelnen Atome geprägt. Dadurch nehmen monokline ZrO2-Kristalle „viel“ Platz ein.

Bei höheren Temperaturen – genau genommen bei 1170 °C – kommt es jedoch zu einer Änderung der Anordnung der Sauerstoff- und Zirconiumatome, wodurch sich auch die Kristallstruktur ändert. Sie ist nun „tetragonal“, die Symmetrie nimmt also zu. Zudem braucht der Kristall jetzt „weniger“ Platz.

Kristallgitter von monoklinem und tetragonalem ZrO2. [1]

Es kommt zu einem sprunghaften „Schrumpfen“ um circa 3 Vol% des Materials, was große Spannungen im Material verursacht. Beim Abkühlen findet der Sprung in die andere Richtung bei niedrigeren Temperaturen von ~ 950 °C statt. Diese doppelte Belastung führt in den meisten Fällen zu einem Schadensfall.

Im speziellen Fall von Zirconiumoxid wird dieses Problem gelöst, indem die tetragonale Phase durch Dotierung mit geeigneten Fremdatomen bis auf Raumtemperatur „stabilisiert“ wird, sodass es bei ~ 1170 °C zu keiner Phasenumwandlung kommt –die tetragonale Phase ist schließlich bereits vorhanden.

Diagramm zur relativer Längenänderung in Abhängigkeit von der Temperatur zweier ZrO2-haltiger Werkstoffe. Schwarz: Material mit teilstabilisiertem ZrO2 (PSZ). Rot: Material mit vollstabilisiertem ZrO2 (TZP). Zu sehen ist, dass der Phasensprung bei 1170 °C beim TZP nicht mehr vorhanden ist.

Bei den meisten Werkstoffen wird jedoch auf andere Techniken zurückgegriffen wie zum Beispiel bei Herdplatten aus Glaskeramik. Hier werden die Komponenten des Werkstoffes so kombiniert, dass deren thermische Längenänderungen gegenläufig sind und dadurch der Werkstoff in der Summe eine Dehnung von Null hat.

Daher sollte die thermische Längenänderung eines Materials vor dem Einsatz bestimmt werden. So kann diese beim Designen zum Beispiel durch den Einbau von Dehnungsfugen berücksichtigt oder im Zweifelsfall durch geeignete Werkstoffkombinationen ausgeglichen werden. Ansonsten kommt es zu Schadensfällen oder die Metalltür schließt im Sommer nicht richtig.

[1] Han, Y. & Zhu, J. (2013): Surface science studies on the zirconia-based model catalysts. Topics in Catalysis, 56. 1525-1541.

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