Thermoelastischer Effekt - Versionsgeschichte

Oluschinski am 28. November 2022 um 13:21 Uhr

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	\|Riegert, G.: Induktions-Lockin-Thermografie – ein neues Verfahren zur zerstörungsfreien Prüfung. Dissertation, Universität Stuttgart, (2007) [https://pdfs.semanticscholar.org/75f4/1a7c4770e504c169d4f1e3789c5afda7742b.pdf] (Zugriff am 30.10.~~2017~~)		\|Riegert, G.: Induktions-Lockin-Thermografie – ein neues Verfahren zur zerstörungsfreien Prüfung. Dissertation, Universität Stuttgart, (2007) [https://pdfs.semanticscholar.org/75f4/1a7c4770e504c169d4f1e3789c5afda7742b.pdf] (Zugriff am 17.06.2022)
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	\|Redinger, S., Arendts, F. J.: Thermoelastische Spannungsanalyse von Metallen und Verbundwerkstoffen: Stress Pattern Analysis by Thermal Emission. Institut für Flugzeugbau, Universität Stuttgart (1992)		\|Redinger, S., Arendts, F. J.: Thermoelastische Spannungsanalyse von Metallen und Verbundwerkstoffen: Stress Pattern Analysis by Thermal Emission. Institut für Flugzeugbau, Universität Stuttgart (1992)
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			'''Weiterführende Literatur'''
			* Strauch, I.: Thermische Effekte in der Materialmodellierung von Polyamid 6 bei kurzzeitdynamischen Belastungsvorgängen. Dissertation (2019). Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg. [https://opendata.uni-halle.de/bitstream/1981185920/32103/1/Strauch_Joachim_Dissertation_2019.pdf] (Zugriff am 17.06.2022)
	[[Kategorie:Deformation]]		[[Kategorie:Deformation]]
	[[Kategorie:Druckversuch]]		[[Kategorie:Druckversuch]]
	[[Kategorie:Zugversuch]]		[[Kategorie:Zugversuch]]

Oluschinski am 13. August 2019 um 08:33 Uhr

2019-08-13T08:33:21Z

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	Obwohl bei einer ideal elastischen [[Deformation]] eines Prüfkörpers mit einer Be- und Entlastungsphase ('''Bild 1''') die Summe der geleisteten mechanischen Arbeit und der Wärme gleich Null ist ([[Energieelastizität]]), tritt also an der [[Oberfläche]] des Objektes ein durch Entropieänderungen bedingter Temperaturgradient auf ([[Entropieelastizität]]).		Obwohl bei einer ideal elastischen [[Deformation]] eines Prüfkörpers mit einer Be- und Entlastungsphase ('''Bild 1''') die Summe der geleisteten mechanischen Arbeit und der Wärme gleich Null ist ([[Energieelastizität]]), tritt also an der [[Oberfläche]] des Objektes ein durch Entropieänderungen bedingter Temperaturgradient auf ([[Entropieelastizität]]).

	Grundsätzlich werden diese thermoelastischen Effekte durch Wärmezufuhr oder Wärmeentzug an [[Kunststoffbauteil\|Bauteilen]] oder [[Prüfkörper]]n erzeugt und verursachen Änderungen der lokalen Temperatur als auch des Temperaturgradienten, die an der Oberfläche von Objekten gemessen werden kann. Dabei tritt eine Wechselwirkung zwischen den lokalen thermischen Eigenschaften und dem lokalen Spannungstensor auf.		Grundsätzlich werden diese thermoelastischen Effekte durch Wärmezufuhr oder Wärmeentzug an [[Kunststoffbauteil\|Bauteilen]] oder [[Prüfkörper]]n erzeugt und verursachen Änderungen der lokalen Temperatur als auch des Temperaturgradienten, die an der Oberfläche von Objekten gemessen werden kann. Dabei tritt eine Wechselwirkung zwischen den lokalen thermischen Eigenschaften und dem lokalen Spannungstensor auf (siehe: [[Thermische Leitfähigkeit]]).

	Bei Zufuhr von Wärme an einem Festkörper, z. B. an einem Prüfkörper, Gas oder Flüssigkeit tritt eine elastische Deformation (Längen- oder Volumenänderung) auf, die auch als Wärmedehnung oder Wärmeausdehnung (siehe: [[Thermischer Ausdehnungskoeffizient]]) bezeichnet wird. Der Absolutbetrag der eintretenden [[Deformation]] hängt dabei von den elastischen Konstanten, wie [[Elastizitätsmodul\|Elastizitätsmodul E]] und [[Poissonzahl\|Poissonzahl µ]], ab. Der umgekehrte Effekt tritt bei Zufuhr von mechanischer Energie (Zug- oder Druckbelastung, hydrostatischer Druck), an Festkörpern, Gasen oder Flüssigkeiten auf und bedingt eine Temperaturveränderung, die als Thermoelastizität bezeichnet wird. Unter Zwangsbedingungen, wie einer festen Einspannung oder geschlossenen Gefäßen kann dabei auch eine Änderung des Spannungszustandes auftreten [3, 4].		Bei Zufuhr von Wärme an einem Festkörper, z. B. an einem Prüfkörper, Gas oder Flüssigkeit tritt eine elastische Deformation (Längen- oder Volumenänderung) auf, die auch als Wärmedehnung oder Wärmeausdehnung (siehe: [[Thermischer Ausdehnungskoeffizient]]) bezeichnet wird. Der Absolutbetrag der eintretenden [[Deformation]] hängt dabei von den elastischen Konstanten, wie [[Elastizitätsmodul\|Elastizitätsmodul E]] und [[Poissonzahl\|Poissonzahl µ]], ab. Der umgekehrte Effekt tritt bei Zufuhr von mechanischer Energie (Zug- oder Druckbelastung, hydrostatischer Druck), an Festkörpern, Gasen oder Flüssigkeiten auf und bedingt eine Temperaturveränderung, die als Thermoelastizität bezeichnet wird. Unter Zwangsbedingungen, wie einer festen Einspannung oder geschlossenen Gefäßen kann dabei auch eine Änderung des Spannungszustandes auftreten [3, 4].

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Thermoelastischer Effekt

Bei vielen Werkstoffen und auch bei [[Kunststoffe]]n wird insbesondere bei [[Quasistatische Prüfverfahren|quasistatischer]] [[Zugversuch|Zug-]] und [[Druckversuch|Druckbeanspruchung]] von [[Prüfkörper]]n ein Phänomen beobachtet, welches in der Fachliteratur als thermoelastischer Effekt bezeichnet wird. Dabei tritt am Anfang des Zugversuchs an Kunststoffen im [[Deformation#Elastische_Deformation|elastischen]] bzw. [[Viskoelastisches Werkstoffverhalten|viskoelastischen]] Deformationsbereich eine geringförmige Abkühlung des Prüfkörpers auf ('''Bild 1'''), welche mit einer Wärmebildkamera registriert werden kann. Nach Überschreiten eines bestimmten Betrages der Dehnung bzw. [[Beanspruchung]] erwärmt sich der Prüfkörper wieder und bildet einen thermischen Hotspot an einer Einschnürungsfront oder an einem eingebrachten [[Kerb]]. Im Druckversuch ist das Verhalten umgekehrt und es wird zunächst eine geringfügige Erwärmung beobachtet [1, 2].

[[Datei:Thermoelastischer_Effekt1.jpg|500px]]
{|
|- valign="top"
|width="50px"|'''Bild 1''':
|width="600px" |Temperaturänderung eines Prüfkörpers bei Zug- oder Druckbeanspruchung
|}

Obwohl bei einer ideal elastischen [[Deformation]] eines Prüfkörpers mit einer Be- und Entlastungsphase ('''Bild 1''') die Summe der geleisteten mechanischen Arbeit und der Wärme gleich Null ist ([[Energieelastizität]]), tritt also an der [[Oberfläche]] des Objektes ein durch Entropieänderungen bedingter Temperaturgradient auf ([[Entropieelastizität]]).

Grundsätzlich werden diese thermoelastischen Effekte durch Wärmezufuhr oder Wärmeentzug an [[Kunststoffbauteil|Bauteilen]] oder [[Prüfkörper]]n erzeugt und verursachen Änderungen der lokalen Temperatur als auch des Temperaturgradienten, die an der Oberfläche von Objekten gemessen werden kann. Dabei tritt eine Wechselwirkung zwischen den lokalen thermischen Eigenschaften und dem lokalen Spannungstensor auf.

Bei Zufuhr von Wärme an einem Festkörper, z. B. an einem Prüfkörper, Gas oder Flüssigkeit tritt eine elastische Deformation (Längen- oder Volumenänderung) auf, die auch als Wärmedehnung oder Wärmeausdehnung (siehe: [[Thermischer Ausdehnungskoeffizient]]) bezeichnet wird. Der Absolutbetrag der eintretenden [[Deformation]] hängt dabei von den elastischen Konstanten, wie [[Elastizitätsmodul|Elastizitätsmodul E]] und [[Poissonzahl|Poissonzahl µ]], ab. Der umgekehrte Effekt tritt bei Zufuhr von mechanischer Energie (Zug- oder Druckbelastung, hydrostatischer Druck), an Festkörpern, Gasen oder Flüssigkeiten auf und bedingt eine Temperaturveränderung, die als Thermoelastizität bezeichnet wird. Unter Zwangsbedingungen, wie einer festen Einspannung oder geschlossenen Gefäßen kann dabei auch eine Änderung des Spannungszustandes auftreten [3, 4].

Bei einer adiabatischen mechanischen Zugbeanspruchung, die defacto ohne Wärme- bzw. Energieaustausch stattfindet, tritt bei prismatischen Prüfkörpern eine Temperaturänderung ΔT auf, die entsprechend Gl. (1) von der Spannungszunahme ([[Einachsiger Spannungszustand|uniaxialer Spannungszustand]]) Δσ abhängt [5].

{|
|-
|width="20px"|
|width="500px" | <math>\Delta T=\frac{\alpha_{th}T}{c_{\sigma}}\Delta\sigma</math>
|(1)
|}

mit
{|
|-
|c
|width="15px" |
|Wärmekapazität/Volumen
|-
|αTh
|
|[[Thermomechanische Analyse|linearer thermischer Ausdehnungskoeffizient]]
|-
|T
|
|Temperatur

|}

Falls der Ausdehnungskoeffizient des betreffenden Prüfkörpers positiv ist, dann tritt als Folge der Spannungserhöhung in Zugrichtung (positiv) eine Temperaturerniedrigung einstellen, die mittels einer Infrarotthermokamera erfasst werden kann. Der Absolutbetrag der Temperaturänderung ist bei den meisten Werkstoffen sehr klein und hängt von den elastischen Konstanten des untersuchten Materials ab. Beispiele für eine ablaufende Temperaturverringerung sind metallische Werkstoffe und [[Kunststoffe]] ('''Bild 2'''). Bei einer [[Druckversuch|Druckbeanspruchung]] (negative Spannung) dieser Werkstoffe wird dann eine Erhöhung der Temperatur auf der [[Oberfläche]] des Prüfobjektes beobachtet.

Im Fall von negativen linearen Ausdehnungskoeffizienten, wie z. B. bei [[Elastomere]]n und Kautschuk, wird bei einer Zugbeanspruchung dagegen eine Erhöhung der Temperatur registriert, welche auch bei der Verdichtung von Gasen mittels Pumpen auftritt. Bei Entlastung tritt dann wieder eine Abkühlung bis zum vorherigen Gleichgewichtszustand auf. Diese Prozesse laufen aufgrund der Zeitabhängigkeit der Wärmeleitung jedoch verzögert zur mechanischen Beanspruchung ab.

[[Datei:Thermoelastischer_Effekt2.jpg|450px]]
{|
|- valign="top"
|width="50px"|'''Bild 2''':
|width="600px" |Änderungen der Oberflächentemperatur infolge des thermoelastischen Effekts an (a) einem gekerbten PA 6-Prüfkörper mit 10 M.-% GF und (b) einem verstreckenden PA 6-Prüfkörper
|}

'''Literaturhinweise'''
{|
|-valign="top"
|[1]
|Riegert, G.: Induktions-Lockin-Thermografie – ein neues Verfahren zur zerstörungsfreien Prüfung. Dissertation, Universität Stuttgart, (2007) [https://pdfs.semanticscholar.org/75f4/1a7c4770e504c169d4f1e3789c5afda7742b.pdf] (Zugriff am 30.10.2017)
|-valign="top"
|[2]
|Mungenast, D.: Charakterisierung des thermoelastischen Effektes von amorphen Polymeren. Bachelorarbeit, Montanuniversität Leoben (2011)
|-valign="top"
|[3]
|Christ, H.-J.: Wechselverformung von Metallen – Zyklisches Spannungs-Dehnungs-Verhalten und Mikrostruktur. Springer Verlag Berlin, (1991) (ISBN 978-3-540-53962-9; siehe [[AMK-Büchersammlung]] unter L 9-1)
|-valign="top"
|[4]
|Bergmann, W.: Werkstofftechnik 1 – Struktureller Aufbau von Werkstoffen – Metallische Werkstoffe – Polymerwerkstoffe – Nichtmetallisch anorganische Werkstoffe. Carl Hanser Verlag München, 7. Auflage, (2013) (ISBN 978-3-446-43536-0)
|-valign="top"
|[5]
|Redinger, S., Arendts, F. J.: Thermoelastische Spannungsanalyse von Metallen und Verbundwerkstoffen: Stress Pattern Analysis by Thermal Emission. Institut für Flugzeugbau, Universität Stuttgart (1992)
|}

[[Kategorie:Deformation]]
[[Kategorie:Druckversuch]]
[[Kategorie:Zugversuch]]