Zeitstandversuch

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Themenübersicht

Was ist ein Zeitstandversuch

Der Begriff Zeitstandversuch wird oft z.B. auch in Verbindung von Innendruckprüfungen von  Rohrleitungen oder Druckspeichern verwendet. Darauf wird hier nicht weiter eingegangen und ist auch nicht Bestandteil der Dienstleistungen von Suisse TP.

Relevant und im Kompetenzbereich von Suisse TP ist der Zeitstandversuch innerhalb der Werkstoffprüfungen auch bekannt als Kriechversuch oder Relaxationsversuch und ist ein zerstörendes Werkstoffprüfverfahren zur Ermittlung des Werkstoffverhaltens unter langandauernder konstanter Belastung meist unter erhöhter Temperatur. Beim Zeitstandversuch wird eine Probe über einen längeren Zeitraum einer erhöhten Temperatur ausgesetzt und mit konstanter Zugkraft bzw. -spannung belastet. Dabei unterscheidet man zwischen Kurzzeitversuchen und Langzeitversuchen ab ca. 10.000 Stunden.

Das Ziel eines Zeitstandversuchs (Kriechversuchs) ist die Vorhersage der Lebensdauer eines Materials unter bestimmten Einsatzbedingungen. Die Lebensdauer wird beeinflusst durch das Kriechverhalten des Werkstoffes.

Was versteht man unter kriechen

Als Kriechen bezeichnet man die über einen längeren Zeitraum entstehende plastische Verformung eines Werkstoffs. Schon geringe Belastungen und erhöhte Temperaturen über eine längere Zeitspanne können zu einer dauerhaften Verformung von Materialien wie z.B. Metall, Keramik, Kunststoff, etc. führen. Dies ist vor allem für Materialien, die im Betrieb höheren Temperaturen über längere Zeit ausgesetzt sind von entscheidender Bedeutung, wie z.B. Wärmekraftmaschinen bzw. Komponenten von Wärmekraftmaschinen, Motoren oder Triebwerke in der Luftfahrt. 

Folgende äussere Faktoren beeinflussen das Kriechen maßgeblich:

  • Ausmaß der Belastung
  • Höhe der Temperatur und
  • Dauer der Belastung

Welche Kennwerte werden in einem Zeitstandversuch ermittelt?

Für die Beurteilung für den Einsatz von Werkstoffen in anspruchsvollen Betriebszuständen wie z.B. den Wärmekraftmaschinen werden folgende Kennwerte im Zeitstandversuch ermittelt:

  • Kriechdehnung
  • Kriechmodul (Verhältnis von Spannung zu Dehnung in Funktion der Belastungszeit)
  • Zeitstandfestigkeit
  • Zeit bis zum Bruch der Probe (Bruchzeit)
  • Relaxationsspannung
  • Zeitbruchdehnung
  • Zeitbrucheinschnürung

Was ist Zeitstandfestigkeit?

Die Zeitstandfestigkeit wird anhand von Zeitstandversuchen ermittelt und ermöglicht eine Aussage über die Lebensdauer eines Werkstoffs unter langandauernder quasistatischer mechanischer Belastung und Temperatur. Die resultierende mechanische Spannung bei meist erhöhter Temperatur führt  über einen bestimmten Zeitraum zum Kriechen und schlussendlich zum Versagen des Werkstoffs. Eine erfahren Kriechdehnung bei Bauteilen ist irreversibel. Bei weiterer Belastung des Bauteiles oder Werkstoffes über einen langen Zeitraum kann es zu Rissen und letztendlich zum Bruch kommen.

Bei Suisse TP stehen eine Reihe von Zeitstandprüfmaschinen zur Verfügung die sowohl Prüfungen an Kunststoffen als auch an Metallen abdecken können:

Gerätetyp und Ausrüstung

6 Zeitstandprüfmaschinen

Messbereich

Kraftbereich von 0.5 kN bis 50 kN
Temperaturbereich von Raumtemperatur bis 500°C

Typische Anwendungen

Das Langzeitverhalten von Kunststoffen und Metallen wird an Probestäben unter Zugbeanspruchung oder Druckbeanspruchung (z.B. für Schäume als Kernmaterial) bestimmt.

Die Zeitstandprüfmaschinen bei Suisse TP stehen in einem eigenen klimatisierten Raum. Damit werden auch bei Langzeitmessungen zuverlässige und stabile Messergebnisse sichergestellt.

Bei den Zeitstandversuchen kann grundsätzlich zwischen Kriechversuchen an Metallen und Kunststoffen unterschieden werden.

Zeitstandversuche an Metallen

Es gibt eine ganze Reihe von Normen für den Zeitstandversuch bei Metallen, die je nach Prüfverfahren relevant sind. Grundsätzlich werden die Prüfverfahren folgendermassen unterschieden:
a) nicht unterbrochene Kriechversuche mit kontinuierlicher Dehnungsmessung;
b) unterbrochene Kriechversuche mit periodischer Verlängerungsmessung;
c) Zeitstandversuche, bei denen üblicherweise nur die Zeit bis zum Bruch gemessen wird, wobei die Dehnung oder die Verlängerung nicht unbedingt erfasst wird.

Suisse TP wendet in der Regel die Methode a) für ihre Versuche an, da diese eine kontinuierliche Überwachung der Probe sicherstellt und somit auch die wertvollsten Resultate liefert.

Relevante Normen:

  • ISO 204 Metallische Werkstoffe -Einachsiger Zeitstandversuch unter Zugbeanspruchung

  • ASTM E 139 Standard Test Methods for Conducting Creep, Creep-Rupture, and Stress-Rupture Tests of Metallic Materials

  • EN 2002-005 Prüfvefahren für metallische Werkstoffe – Teil 005: Kriech- und Zeitstandversuch unter konstanter Zugbeanspruchung

  • ASTM E 328 Standard Test Methods for Stress Relaxation for Materials and Structures

  • ISO 15630-3 Steel for the reinforcement and prestressing of concrete – Test methods

Zeitstandversuche an Kunststoff

Das Langzeitverhalten von Kunststoffen wird ebenfalls an Probestäben unter Zugbeanspruchung bestimmt. Das Langzeitverhalten kann auch an Schäumen (z.B. für Kernmaterialien in Sandwichverbunden) unter Druckbeanspruchung ermittelt werden.

Kriechversuche an Kunststoffen unter kontanter Belastung generieren Kriechkurven, die einen guten Rückschluss auf das Langzeitverhalten von Kunststoffen zulassen. Diese Versuche sind in den Normen ISO 899-1 und ISO 899-2 sowie in der ASTM D2990 beschrieben.

Für eine statistische Absicherung werden mehrere Probekörper gleichzeitig, bei Suisse TP bis zu sechs, geprüft. Wichtig bei den Kunststoffproben ist die Konditionierung der Proben für eine Vergleichbarkeit der Kennwerte und die bereits erwähnte Temperaturkonstanz während der gesamten Prüfdauer, die auch über 1000h betragen kann.

Beispielanwendungen für Zeitstandversuche

Zeitstandversuche für die Technische Sicherheit

Langzeitkriechverhalten von Aluminiumlegierungen unter Temperaturbelastung
Langzeitverhalten von Hartschäumen bei RT unter Druckbelastung

Erfahren Sie mehr über unsere Kompetenz im Bereich Technische Sicherheit

Eine Übersicht weiterer Methoden aus dem Bereich technische Sicherheit finden Sie in unserem Lexikon – Technische Sicherheit

Kontaktieren Sie mich

Dr. Benedikt Moser

CTO und Material Experte


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