Vorbei sind die Zeiten, in denen Produkte ohne vorherige Tests auf den Markt gebracht wurden. In der modernen Fertigung wird kein Produkt mehr ohne spezifische Tests auf den Markt gebracht. Unter diesen gehören die Thermoschock- und die Temperaturwechselprüfungen zu den beliebtesten. Allerdings wird häufig darüber diskutiert, ob Thermoschock- oder Temperaturwechselprüfungen vorzuziehen sind.
Interessanterweise glauben viele, dass beide Prüfverfahren identisch sind, da bei beiden ein Material oder Produkt erhitzt wird. Dies ist jedoch falsch, da sich die beiden Prüfverfahren unterscheiden und jeweils einzigartige Informationen über die Produkte liefern. Sie werden bei Produkten angewendet, die sowohl hohen als auch niedrigen Temperaturen ausgesetzt sind, allerdings auf völlig unterschiedliche Weise. In diesem Artikel werde ich die Unterschiede zwischen Thermoschock- und Temperaturwechselprüfungen erläutern.
Was ist eine Thermoschockprüfung?
Thermoschockprüfungen sind in einer Vielzahl von Branchen gängige Praxis. Alle Bauteile, die für den Einsatz bei schwankenden Temperaturen vorgesehen sind, werden diesen Prüfungen unterzogen.
Bei Thermoschockprüfungen wird ein Werkstoff (eine Probe) zwei extremen Temperaturen ausgesetzt. Die Probe wird sehr hohen Temperaturen ausgesetzt. Anschließend wird sie sehr niedrigen Temperaturen (bis zu -40 °C) ausgesetzt. Dieser plötzliche Temperaturwechsel von sehr hoch auf sehr niedrig kann zu inneren Spannungen in der Probe führen. Ist das Material robust, wird es weder Risse bilden noch brechen, was seine Haltbarkeit und Zuverlässigkeit unter Beweis stellt.
Wie Sie wissen, sind manche Bauteile sowohl sehr hohen als auch sehr niedrigen Temperaturen ausgesetzt. Eine gute Leistungsfähigkeit unter diesen extremen Temperaturbedingungen ist von entscheidender Bedeutung. Wenn das Material nicht vorab getestet wurde, kann es bei solchen extremen Temperaturen versagen. Hier erweisen sich Thermoschocktests als äußerst nützlich.
Dieser Thermoschocktest wird in einem Thermoschockkammer. Es gibt verschiedene Arten von Thermoschockkammern. Bei Prüfungen kommen jedoch am häufigsten Zweizonen-Thermoschockkammern zum Einsatz. Das zu prüfende Bauteil oder Material wird in den Behälter gelegt. Dieser Behälter befördert das Material in eine Zone, in der die Temperatur zu hoch ist (bis zu 150 °C).
Nach einiger Zeit bewegt sich der Behälter weiter und befördert das Material in einen anderen Bereich, in dem die Temperatur sehr niedrig ist. Diese Temperatur kann im Minusbereich liegen, etwa bei -40 Grad Celsius. Dieser plötzliche Temperaturwechsel von extrem hoch zu extrem niedrig wirkt sich auf das Material aus. Es dehnt sich bei hohen Temperaturen aus und zieht sich bei niedrigen Temperaturen zusammen.
Ist das Material robust, kann es sowohl Ausdehnung als auch Kontraktion standhalten, ohne zu reißen oder beschädigt zu werden. Das Material wird diesen extremen Temperaturen mehrfach ausgesetzt. Materialien, die den Thermoschocktest bestehen, gelten als zuverlässig und robust. Sie halten plötzlichen Temperaturschwankungen stand und sind für den Einsatz unter realen Bedingungen geeignet.
Was ist eine Temperaturwechselprüfung?
Temperaturwechsel- und Thermoschockprüfungen unterscheiden sich voneinander. Bei einem Thermoschock wird das Material extremen Temperaturschwankungen ausgesetzt. Bei Temperaturwechselprüfungen hingegen geht es darum, das Material Belastungen und Ermüdung auszusetzen.
Bei Temperaturwechselprüfungen wird das Material sowohl sehr hohen als auch sehr niedrigen Temperaturen ausgesetzt. Allerdings wird die Temperatur dabei nicht plötzlich erhöht, wie es bei Thermoschockprüfungen der Fall ist. Stattdessen wird die Temperatur schrittweise erhöht und anschließend wieder schrittweise gesenkt. Dieser Vorgang wird hunderte Male wiederholt. Ein schwaches Material beginnt aufgrund der ständig schwankenden Temperaturen zu reißen.
Einfach ausgedrückt besteht dieser Test darin, die Werkstoffe wiederholt zu erwärmen und abzukühlen. Dabei wird das Material sowohl extrem hohen Temperaturen (120–125 °C) als auch extrem niedrigen Temperaturen (-40 °C) ausgesetzt. Die Temperatur schwankt dabei jedoch nicht plötzlich. Stattdessen steigt und sinkt die Temperatur langsam, wodurch das Material Ermüdung und Belastung ausgesetzt wird.
Bei diesem Test wurde ein Umweltprüfkammer oder eine Temperaturwechselprüfkammer wird verwendet. Das zu prüfende Produkt oder Material wird in diese Kammer eingelegt. Anschließend erhöht der Bediener schrittweise die Temperatur. Dieser Temperaturanstieg führt dazu, dass sich die Materialien ausdehnen. Nach einer festgelegten Zeit senkt der Bediener die Temperatur langsam und senkt sie anschließend auf -40 °C.
Bei diesen Tests werden Hunderttausende Zyklen mit Temperaturanstiegen und -abfällen durchgeführt. Diese geringen Temperaturschwankungen setzen das Material keinem Thermoschock aus. Stattdessen führen sie zu Spannungen und Ermüdung im Material. Ist das Material zuverlässig, widersteht es der Ermüdung und weist auch nach Hunderten von Zyklen keinerlei Verschleißerscheinungen auf.
Sobald die Prüfung abgeschlossen ist, analysiert der Ingenieur den Zustand des Materials sorgfältig. Jegliche Anzeichen von Rissen deuten darauf hin, dass das Material verbessert werden muss. Diese Prüfverfahren finden in der Automobilindustrie, der Luft- und Raumfahrt, der Elektronikbranche und vielen anderen Branchen breite Anwendung. Teile, die diese Prüfung bestehen, werden zur Herstellung verschiedener Produkte verwendet, die sich als äußerst zuverlässig erweisen.
Unterschiede zwischen Thermoschock- und Temperaturwechselprüfung
Wie oben bereits erläutert, unterscheiden sich Thermoschock- und Temperaturwechselprüfungen voneinander. Auch wenn bei beiden Verfahren hohe und niedrige Temperaturen zum Einsatz kommen, bedeutet dies nicht, dass sie identisch sind. Im folgenden Abschnitt erfahren Sie mehr über die wesentlichen Unterschiede zwischen beiden Verfahren.
1. Temperaturänderungsrate
Die Geschwindigkeit der Temperaturänderung ist ein wichtiger Aspekt dieser beiden Prüfverfahren. Bei der Thermoschockprüfung ändert sich die Temperatur sehr schnell. Zunächst wird das Produkt sehr hohen Temperaturen (Extremtemperaturen) ausgesetzt. Plötzlich sinkt die Temperatur innerhalb von Sekunden, wodurch das Produkt einer sehr niedrigen Temperatur ausgesetzt wird. Diese Temperaturschwankung erfolgt innerhalb von Sekunden.
Bei Temperaturwechselprüfungen hingegen kommt es zu allmählichen Temperaturänderungen. Das Produkt wird schrittweise hohen Temperaturen ausgesetzt, bis die Höchstgrenze erreicht ist. Nach einer gewissen Zeit wird die Temperatur langsam gesenkt. Diese langsame und allmähliche Temperaturänderung setzt die Produkte Ermüdung und Belastung aus.
2. Zweck der Prüfung und thermische Belastung
Thermoschockprüfungen werden durchgeführt, um festzustellen, wie sich ein Werkstoff verhält, wenn er plötzlichen, extremen Temperaturschwankungen ausgesetzt ist. Bei diesem Verfahren wird das Produkt extremen Temperaturen (sowohl niedrigen als auch hohen) ausgesetzt. Ist ein Produkt anfällig und wird es extremen Temperaturen ausgesetzt, zeigt sich seine Anfälligkeit.
Andererseits wird ein Temperaturwechsel-Test durchgeführt, um das Ausmaß der wiederholten Beanspruchung zu bewerten, der das Material ausgesetzt ist. Wenn sich die Temperatur allmählich ändert, wird das Material einer Belastung ausgesetzt. Dies geschieht in Hunderten von Zyklen, wodurch das Material wiederholten Belastungen ausgesetzt wird. Wenn das Material Risse aufweist, ist es unter wiederholter Belastung nicht zuverlässig und muss verbessert werden.
3. Belastungsintensität und Belastungsdauer
Thermoschock- und Temperaturwechselprüfungen unterscheiden sich hinsichtlich der Belastungsintensität und der Dauer. Bei Thermoschocks ändert sich die Temperatur sehr schnell. Zunächst steigt sie auf eine sehr hohe Temperatur an, dann fällt sie auf eine extrem niedrige Temperatur ab. Auf diese Weise wird das Material einer hohen Belastungsintensität ausgesetzt. Die Belastungsdauer ist jedoch kurz, da sich die Temperatur schnell ändert.
Andererseits ist die Belastungsintensität bei Temperaturwechselprüfungen gering. Der Grund dafür ist, dass die Temperaturänderung langsam und schrittweise erfolgt. Im Gegensatz dazu ist die Belastungsdauer bei der Temperaturwechselprüfung lang.
4. Übertragungsmethode und Simulation unter realistischen Bedingungen
Bei Thermoschockprüfungen wird das Material plötzlich von einer extrem hohen auf eine niedrige Temperatur gebracht. Wie ich oben bereits erwähnt habe, wird der Test in einer Thermoschockkammer durchgeführt, die aus zwei Kammern besteht. Das Material wird auf einen Behälter gelegt, der es in eine Heißkammer befördert, sodass das Material einer extrem hohen Temperatur ausgesetzt wird. Danach bewegt sich der Behälter sofort weiter und bringt das Material in eine Kaltkammer.
Dieser Materialübergang von hoher zu niedriger Temperatur erfolgt innerhalb von Sekunden. Damit wird die Situation simuliert, in der ein Material schnell von einem extrem hohen Wert auf einen sehr niedrigen Wert wechselt. Ein Temperaturwechsel-Test wird in einer einzigen Kammer durchgeführt, in der die Temperatur ansteigt und wieder abfällt. Das Material muss nicht von einer Kammer in eine andere überführt werden. Dies ahmt die Situation nach, in der das Material langsam schwankenden extremen Temperaturen ausgesetzt ist.
5. Prüfgeschwindigkeit und Anzahl der Zyklen
Ein Thermoschocktest eignet sich besser zur Prüfung der Geschwindigkeit. Warum? Der Grund dafür ist, dass dieser Test einen plötzlichen Temperaturwechsel von extrem hohen auf extrem niedrige Werte beinhaltet. Ist das Produkt anfällig, zeigen sich bereits in den ersten Zyklen Anzeichen von Rissen. Daher ist dieser Thermoschocktest schnell abgeschlossen. Zudem umfasst dieser Test weniger Zyklen.
Andererseits dauert ein Temperaturwechsel-Test länger, da er eine allmähliche Temperaturänderung beinhaltet. Die Temperatur steigt zunächst langsam an und sinkt dann noch langsamer wieder ab. Zudem umfasst der Temperaturwechsel-Test mehr Zyklen, nämlich Hunderte. Bei dieser Testmethode lässt sich das Ergebnis nicht anhand von nur wenigen Zyklen vorhersagen.
6. Verwendeter Anlagentyp und Kammerausführung
Thermoschockprüfungen werden in speziellen Thermoschockkammern durchgeführt. Diese Kammern sind in verschiedenen Ausführungen erhältlich. Dazu gehören unter anderem Zweizonen-Thermoschockkammern, Dreizonige Thermoschockkammern, und so weiter. Diese Kammern verfügen über eigene Bereiche oder Kammern sowohl für die Erwärmung als auch für die Kühlung.
Sie bestehen aus einem Behälter, der das Material aufnimmt und anschließend vom heißen in den kalten Bereich befördert wird. Im Gegensatz dazu werden Temperaturwechselprüfungen in der Regel in einer Ein-Zonen-Klimakammer durchgeführt. Sowohl der Temperaturanstieg als auch der Temperaturabfall finden in dieser einzigen Klimakammer statt. Konstruktiv besteht eine Thermoschockkammer aus zwei oder drei Kammern.
Häufig gestellte Fragen
Was ist eine Thermoschockkammer?
Die Thermoschockkammer ist eine Prüfmaschine. Sie besteht aus zwei Zonen, die zum Erwärmen bzw. Abkühlen des Prüfobjekts dienen. Diese Maschinen können problemlos extreme Temperaturen erreichen.
Welcher Test ist anspruchsvoller: der Thermoschock oder der Temperaturwechsel?
Der Thermoschocktest ist in der Regel anspruchsvoller als der Temperaturwechselversuch. Der Grund dafür ist, dass das Werkstück bei diesem Test plötzlich sehr hohen Temperaturen ausgesetzt wird. Diese plötzliche Temperaturänderung macht den Thermoschocktest anspruchsvoller.
Was ist der Unterschied zwischen dem Thermoschocktest und dem Temperaturwechseltest?
Diese beiden thermischen Prüfverfahren unterscheiden sich in vielerlei Hinsicht. Beim Thermoschock wird das Materialverhalten bei plötzlichen, extremen Temperaturänderungen untersucht. Bei Temperaturwechselprüfungen wird bewertet, wie sich das Material verhält, wenn es wiederholt wechselnden Temperaturen ausgesetzt wird.
Abschluss
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass sowohl Thermoschock- als auch Temperaturwechselprüfungen gleichermaßen wichtig sind. Bei beiden Prüfungen wird das Verhalten eines Werkstoffs bei schwankenden Temperaturen untersucht. Bei Thermoschockprüfungen wird das Verhalten eines Werkstoffs untersucht, wenn er plötzlichen extremen Temperaturen ausgesetzt ist.
Thermische Wechselbelastungsprüfungen hingegen dienen dazu, Materialien durch wiederholte Temperaturwechsel zu testen. Beide Verfahren verfolgen dasselbe Ziel: Sie prüfen die Qualität des Materials. Materialien, die diese Prüfungen bestehen, gelten als zuverlässiger für den Einsatz unter realen Bedingungen. Beide Prüfverfahren kommen in der Luft- und Raumfahrt, der Elektronik, der Automobilindustrie und anderen Branchen zum Einsatz.