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Veranschaulichung des Phänomens Kriechen

Schleich ist die bleibende Verformung von a Material die lange Zeit belastet ist mit z.B. Zug- oder Druckkraft, oder mit a Moment ist geladen. Kriechen ist normalerweise ein unerwünschtes Phänomen und kann ein limitierender Faktor für die Lebensdauer eines Objekts sein.

Beschreibung

Wenn auf ein Material eine Zugkraft ausgeübt wird, wird das Material strecken. Bei nicht zu großen Kräften ist diese Verformung elastisch, d. h. reversibel und entsprechend der Hookes Gesetz proportional zur aufgebrachten Kraft:

${displaystyle Delta L={frac {F}{E}}}$

Im folgenden Text ist für Dehnung (Zugkraft) auch Verkürzung (Druckkraft) zu lesen:
mitl die Erweiterung, E das Elastizitätsmodul des Materials und f die auf das Material ausgeübte Zugkraft. Wenn die Kraft wieder weggenommen wird, kehrt das Material auf seine ursprüngliche Länge zurück. Der Elastizitätsmodul als Materialkonstante kann jedoch nur zur Bestimmung der Dehnung bei kurzer Belastungszeit und konstanter Temperatur verwendet werden. Abhängig von der Art des Materials, der Größe der aufgebrachten Kraft und der Dauer der Krafteinwirkung kehrt das Material manchmal nicht auf seine ursprüngliche Länge zurück, sondern zeigt eine bleibende Dehnung: Es ist ein Kriechen aufgetreten.

Wenn ein Material längere Zeit einer äußeren Belastung ausgesetzt ist, beträgt die Dehnung nach

${Anzeigestil Delta (L)={frac {F}{E(t)}}}$

Das EModul wird somit zeitabhängig.

Darüber hinaus ist es auch so, dass bei höheren Temperaturen erhöht die Abhängigkeit von der Erweiterung:

${Anzeigestil Delta (L)={frac {F}{E(t,T)}}}$

Neben der zeitabhängigen, EModul ist auch temperaturabhängig.

Das Auftreten von Kriechen

Abbildung 1: Unter konstanter Belastung in einen Balken kriechen^[1]

Abbildung 2: Einfluss der Temperatur auf das Kriechen^[1]

Abbildung 1 nebenstehend zeigt ein Kriechexperiment. Ein Material ist pünktlich da t₀ mechanisch mit einer bestimmten Kraft belastet f Das hier Stromspannungσ im Material verursacht, wie in (a) zu sehen ist. Die Temperatur wird während des Experiments konstant gehalten. Abbildung (b) zeigt, welche Konsequenzen dies für die Gestell. Das Material erhält zunächst eine Dehnung von ε₀. Im Laufe der Zeit beginnt das Material jedoch zu kriechen.

Die Kriechkurve zeigt, dass sich das Kriechen in drei Stufen entwickelt, bevor ein kriechender Werkstoff schließlich bricht. Zuerst unterliegt das Material einem primären Kriechen. In dieser Phase nimmt die Kriechgeschwindigkeit langsam ab. Anscheinend gibt es das dann Verstärkung im Material platzieren. Beim Sekundärkriechen ist die Kriechgeschwindigkeit konstant, da sich die Bewehrung einerseits und die Erweichung durch Rückstellung andererseits ausgleichen. Normalerweise ist dieser Teil der Kurve der längste. Beim ternären Kriechen wird der Kriechprozess beschleunigt, was schließlich zum Bruch des Materials führt^[1].Dieser Bruch tritt normalerweise intergranular auf^[2].

Für einen Konstruktor sind zwei Parameter besonders wichtig für kriechen. Dies sind die stationär (Englisch: Gleichgewichtszustand) Kriechgeschwindigkeit ${displaystyle {dot {varepsilon}}_{s}}$ und die Zeit zum Zerbrechen t_b. Der Wert für ${displaystyle {dot {varepsilon}}_{s}}$ ist die Steigung der Sekundärfläche aus der Kriechkurve. Diese Steigung wird als Dehnung pro Zeiteinheit berechnet, d. h. mit Δε/Δt. ${displaystyle {dot {varepsilon}}_{s}}$ wird als Konstruktionsparameter verwendet, der für Konstruktionen wichtig ist, die eine lange Lebensdauer ohne Bruchgefahr durch Kriechen erfordern. Die Zeit zum Bruch t_b wird für Konstruktionen verwendet, die nur kurze Zeit halten müssen.

Bei Raumtemperatur ist die Kriechwirkung in der Regel vernachlässigbar. Die Berücksichtigung von Kriechen ist in der Regel nur bei Konstruktionen erforderlich, die über einen längeren Zeitraum bei höheren Temperaturen betrieben werden, wie z Motoren und Turbinen. Bei Metallen muss das Kriechen in der Regel erst ab einer Temperatur von 0,5 berücksichtigt werden t_ich, oder die halbe Schmelztemperatur des Materials in Kelvin^[2][3]. Bei Polymeren ist bekannt, dass kristalline Polymere oberhalb der Glasübergang zeigen mehr Kriechen als amorphe Polymere^[4]. Übrigens: Nicht jedes Material wird erst bei hohen Temperaturen interessant. Es ist bekannt, dass Materialien wie Stahl, Beton und Holz auch bei Raumtemperatur kriechen^[5].

Abbildung 2 zeigt ein Beispiel für den Einfluss der Temperatur auf das Kriechen in einem bestimmten Metall. Es ist zu erkennen, dass bei niedrigerer Temperatur der Nebenbereich der Kriechkurve immer länger wird. Unterhalb eines bestimmten Wertes ist der Nebenbereich sogar unendlich groß, da die stationäre Kriechgeschwindigkeit gegen 0 geht. In diesem Temperaturbereich tritt kein Bruch auf^[6]. Die Abbildung kann auch zur Veranschaulichung des Einflusses mechanischer Spannungen auf das Kriechen verwendet werden. Je höher die mechanische Spannung, desto kürzer ist der Nebenbereich der Kriechkurve und desto schneller erfolgt der Bruch. Unterschreitet die mechanische Belastung jedoch einen bestimmten Wert, geht auch hier die stationäre Kriechgeschwindigkeit gegen 0.

Neben der obigen Beschreibung des Phänomens Kriechen verweist der Name Kriechen auch auf ein weiteres Phänomen, das unter anderem in vorgespannt Kabel. Diese werden gedehnt und erfahren daher eine innere Spannung. Im Laufe der Zeit zeigt sich, dass die Spannung abnimmt, während die Dehnung gleich bleibt. Diese Form des Kriechens wird auch . genannt Stressentspannung erwähnt^[5]. Nicht alle Literatur beschreibt Spannungsrelaxation als eine Form des Kriechens.

Modellieren von Creep

Zur Beschreibung des Kriechens wurden in der Vergangenheit mehrere Modelle entwickelt, darunter die Maxwell-Element, es Kelvin-Voigt-Element und der Bürgermodell die beide der vorstehenden Elemente kombiniert. Aber auch für den zeitlichen Verlauf des Kriechens stehen empirische Formeln zur Verfügung, u. a

andrade: ${displaystyle D(t)=a bimes t^{1/3}{frac {}{}}}$

Kohlrausch: ${displaystyle D(t)=D_{0} imes exp left({frac {t}{t_{0}}}ight)^{m}}$

Darin ist d das Kehrwert von E, oder d = 1/E, t ist die Zeit und ich ist eine Zahl, die normalerweise den Wert 1/3 hat. Kohlrausch-Gleichung, ursprünglich vorbereitet für das Kriechen von prepared Glas, ist auf jeden Fall für eine Vielzahl von amorphen glasartigen Polymeren geeignet. Die Gleichung berücksichtigt jedoch weder die Nichtlinearität des Kriechverhaltens bei höheren Spannungs- und Dehnungswerten noch die körperliches Altern was bei schnell abgekühlten glasartigen Polymeren auftritt^[4].

Beispiele für Kriechen

1. EIN Wäscheleine wird sich im Laufe der Zeit dehnen und nicht mehr angespannt sein.
2. Ein Bücherregal von mdf oder Spanplatten wird sich unter dem Gewicht der Bücher dauerhaft verbiegen. Bücherregale aus Massivholz oder aus Sperrholz haben viel weniger Kriechen und werden einfach zurückspringen, wenn die Bücher entfernt werden. Erst nach längerer Zeit bei höheren Belastungen ist eine sichtbare bleibende Durchbiegung aufgetreten. Je geringer die elastische Auslenkung (Rückprall) ist, desto geringer ist die bleibende Auslenkung (Kriechen); dickere Bretter sind daher besser.
3. Nach dem Zweiter Weltkrieg Gab es einen Mangel Kupfer, was es sehr teuer machte. Elektrische Leitungen in Häusern wurden daher aus Aluminium, das ist auch gut so Dirigent ist, wenn auch nicht so gut wie Kupfer. Da Aluminium anfälliger für Kriechen ist als Kupfer, verursachten die Schrauben, die die Al-Verdrahtung halten, so viel Kriechen, dass der Draht-zu-Schraube-Kontakt unzuverlässig wurde.
4. Kriechen ist auch der Grund, warum es besser ist, die Enden von Kupferlitzen, die aus mehreren Drähten bestehen, nicht miteinander zu verlöten. Durch das beim Klemmen auftretende Kriechen in der Dose geht der gute Kontakt nach einiger Zeit verloren.
5. Obwohl hauptsächlich wegen der reduzierten Zugfestigkeit bei höheren Temperaturen die Einsturz des World Trade Centers teilweise aufgrund von Kriechen aufgrund erhöhter Temperatur.

Fußnoten