Was versteht man unter Kriechverhalten bei metallischen Werkstoffen?

Michael · 13 Aug. 2026

Kriechverhalten bei metallischen Werkstoffen bezeichnet die zeitabhängige, plastische Verformung eines Metalls unter konstanter mechanischer Belastung bei erhöhter Temperatur. Anders als bei elastischer Verformung bleibt die Dehnung nicht konstant, sondern wächst über die Zeit, selbst wenn die aufgebrachte Last unverändert bleibt. Die folgenden Abschnitte beleuchten die physikalischen Grundlagen, die Phasen der Kriechkurve, werkstoffspezifische Unterschiede und die rechnerische Nachweisführung.

Unter welchen Bedingungen tritt Kriechen bei Metallen auf?

Kriechen bei Metallen tritt auf, wenn zwei Bedingungen gleichzeitig erfüllt sind: Die Temperatur liegt oberhalb von etwa 30 bis 40 Prozent der absoluten Schmelztemperatur des Werkstoffs, und es wirkt eine anhaltende mechanische Spannung. Unterhalb dieser Temperaturschwelle sind die Diffusionsprozesse im Kristallgitter zu langsam, um messbare Kriechverformungen zu erzeugen.

Der physikalische Mechanismus hinter dem Kriechverhalten metallischer Werkstoffe beruht auf thermisch aktivierten Vorgängen: Versetzungsbewegungen, Korngrenzengleiten und Leerstellendiffusion ermöglichen es Atomen, sich unter Spannung umzuordnen. Mit steigender Temperatur nehmen diese Prozesse exponentiell zu, weshalb selbst moderate Spannungen bei hohen Temperaturen zu erheblicher Kriechverformung führen können.

Für die Praxis bedeutet das: Bauteile in Dampfturbinen, Rohrleitungssystemen, Wärmetauschern oder Hochtemperaturöfen sind nahezu immer kriechgefährdet. Schon eine Betriebstemperatur von 400 bis 500 Grad Celsius reicht bei Stählen aus, um das zeitabhängige Verformungsverhalten zu einem maßgeblichen Auslegungskriterium zu machen.

Wie läuft eine Kriechkurve in drei Phasen ab?

Die Kriechkurve beschreibt den zeitlichen Verlauf der Dehnung eines metallischen Werkstoffs unter konstanter Spannung und Temperatur. Sie gliedert sich in drei aufeinanderfolgende Phasen: primäres Kriechen mit abnehmender Kriechrate, sekundäres Kriechen mit annähernd konstanter Rate und tertiäres Kriechen mit beschleunigter Verformung bis zum Bruch.

Primäres Kriechen

Im ersten Abschnitt der Kriechkurve verlangsamt sich die Verformungsrate kontinuierlich. Ursache ist die Kaltverfestigung: Versetzungen stauen sich auf, was weiterer Verformung zunehmend Widerstand entgegensetzt. Diese Phase dauert je nach Werkstoff und Belastung von Minuten bis Stunden.

Sekundäres Kriechen

Das sekundäre Kriechen, auch stationäres Kriechen genannt, ist die technisch bedeutsamste Phase. Verfestigung und thermische Erholung halten sich die Waage, die Kriechrate bleibt weitgehend konstant. Dieser Bereich bestimmt maßgeblich die Lebensdauer eines Bauteils und liefert die Grundlage für Werkstoffkennwerte wie die Kriechfestigkeit.

Tertiäres Kriechen

Im dritten Abschnitt beschleunigt sich die Verformung wieder. Gefügeveränderungen wie Porenbildung an Korngrenzen, Einschnürungen oder Ausscheidungsveränderungen verringern den tragenden Querschnitt. Das tertiäre Kriechen endet mit dem Zeitstandbruch. Für die Bauteilauslegung ist es das Ziel, diesen Bereich während der gesamten Betriebsdauer nicht zu erreichen.

Welche metallischen Werkstoffe sind besonders kriechempfindlich?

Metallische Werkstoffe mit niedrigem Schmelzpunkt sind bei vergleichsweise geringen absoluten Temperaturen kriechempfindlich. Blei kriecht bereits bei Raumtemperatur merklich, Aluminium zeigt ab etwa 150 Grad Celsius relevantes Kriechverhalten. Hochlegierte Stähle und Nickelbasislegierungen hingegen widerstehen Kriechverformungen bis weit über 700 Grad Celsius.

Im Maschinenbau und in der Anlagenplanung spielen folgende Werkstoffgruppen eine zentrale Rolle:

Ferritische Stähle (z. B. 1.7335, 13CrMo4-5) für Dampfleitungen und Druckbehälter bis etwa 550 Grad Celsius
Austenitische Stähle (z. B. 1.4541, 1.4571) mit höherer Kriechbeständigkeit durch kubisch-flächenzentriertes Gitter
Nickelbasislegierungen wie Inconel oder Waspaloy für Temperaturen oberhalb von 700 Grad Celsius in Gasturbinen
Titanlegierungen im Leichtbau mit moderater Kriechfestigkeit bis rund 300 Grad Celsius

Entscheidend für die Kriechempfindlichkeit sind neben der Schmelztemperatur auch die Korngröße, der Legierungsgehalt und die Wärmebehandlung. Grobkörnige Gefüge kriechen im Allgemeinen langsamer als feinkörnige, weil weniger Korngrenzen als Gleitebenen zur Verfügung stehen.

Was ist der Unterschied zwischen Kriechfestigkeit und Zeitstandfestigkeit?

Kriechfestigkeit und Zeitstandfestigkeit beschreiben beide das Hochtemperaturverhalten metallischer Werkstoffe, messen aber unterschiedliche Größen. Die Kriechfestigkeit gibt die Spannung an, bei der eine definierte Kriechrate (z. B. 0,01 % Dehnung pro 1.000 Stunden) nicht überschritten wird. Die Zeitstandfestigkeit hingegen bezeichnet die Spannung, die nach einer festgelegten Zeit zum Bruch führt.

Für die Bauteilauslegung in technischen Anlagen ist dieser Unterschied praktisch bedeutsam. Bei Komponenten, bei denen Formänderungen die Funktion beeinträchtigen würden, etwa Turbinenschaufeln oder Flanschverbindungen mit engen Toleranzen, ist die Kriechfestigkeit der maßgebliche Kennwert. Geht es darum, einen Totalausfall durch Bruch zu verhindern, tritt die Zeitstandfestigkeit in den Vordergrund.

Beide Kennwerte werden aus Zeitstandversuchen nach genormten Prüfverfahren ermittelt und sind temperatur- und zeitabhängig. Werkstoffdatenblätter weisen sie typischerweise für verschiedene Temperaturen und Standzeiten (10.000 h, 100.000 h) aus.

Wie wird Kriechverhalten in der FEM-Simulation abgebildet?

In der Finite-Elemente-Methode wird das Kriechverhalten metallischer Werkstoffe über zeitabhängige Werkstoffmodelle abgebildet. Gängige Ansätze sind das Norton-Kriechgesetz für stationäres Kriechen, das die Kriechrate als Potenzfunktion der Spannung beschreibt, sowie erweiterte Modelle wie das Norton-Bailey-Gesetz, das auch das primäre Kriechstadium erfasst.

Die FEM-Berechnung für Kriechen erfordert eine transiente Analyse, bei der die Zeit explizit als Variable in die Berechnung eingeht. Das bedeutet: Die Simulation bildet nicht einen Momentanzustand ab, sondern verfolgt die Entwicklung von Spannungen und Verformungen über die gesamte Betriebsdauer. Materialparameter für die Kriechgesetze werden aus Zeitstandversuchen gewonnen und in die Werkstoffdatenbank des FEM-Systems eingetragen.

Besondere Sorgfalt gilt bei der Modellierung der Randbedingungen: Temperaturgradienten, Betriebslastzyklen und Anfahrvorgänge können das Kriechverhalten erheblich beeinflussen. Eine realitätsnahe Simulation berücksichtigt daher thermische und mechanische Lasten gemeinsam in einer gekoppelten Analyse. FEM-gestützte Strukturanalysen ermöglichen es, Kriechverformungen und Spannungsumlagerungen über die Betriebszeit vorherzusagen, bevor ein Bauteil gefertigt oder eine Anlage in Betrieb genommen wird.

Welche Normvorgaben gelten für den Kriechnachweis in technischen Anlagen?

Der Kriechnachweis für Bauteile in technischen Anlagen richtet sich nach verschiedenen Regelwerken, die je nach Branche und Anwendungsbereich gelten. Maßgeblich sind in Deutschland und Europa vor allem die EN 13445 für Druckbehälter, die EN 13480 für metallische Rohrleitungen sowie das AD 2000-Regelwerk, das speziell für Druckgeräte im deutschen Sprachraum verbreitet ist.

Für Kraftwerkskomponenten gilt in Deutschland zusätzlich die KTA-Regelsammlung (Kerntechnischer Ausschuss) sowie die AGFW-Richtlinien im Fernwärmebereich. International sind ASME BPVC Section VIII (Druckbehälter) und ASME B31.1 (Rohrleitungen) relevant, insbesondere wenn Anlagen für den amerikanischen oder internationalen Markt ausgelegt werden.

Die Normen legen fest, welche Werkstoffkennwerte für den Kriechbereich zu verwenden sind, wie Sicherheitsbeiwerte anzusetzen sind und welche Nachweisverfahren zulässig sind. Rechnerische Nachweise auf Basis von FEM-Simulationen sind in mehreren Regelwerken als Alternative zu analytischen Verfahren anerkannt, müssen aber die normseitig vorgeschriebenen Grenzzustände und Sicherheitskonzepte einhalten.

FEM-Kriechnachweise mit CE-SYS Engineering

CE-SYS Engineering unterstützt Unternehmen bei der rechnerischen Nachweisführung für kriechgefährdete Bauteile und Anlagenkomponenten. Das Leistungsangebot umfasst:

Transiente FEM-Berechnungen mit zeitabhängigen Kriechmodellen (Norton, Norton-Bailey und weitere)
Werkstoffparameteridentifikation auf Basis vorliegender Zeitstanddaten
Spannungs- und Verformungsanalysen über definierte Betriebszeiträume
Nachweisführung nach EN 13445, AD 2000, ASME und weiteren anwendbaren Regelwerken
Bewertung von Schwachstellen und Ableitung konstruktiver Optimierungsmaßnahmen

Ob Druckbehälter, Hochtemperaturrohrleitung oder komplexe Anlagenstruktur: Die Ingenieure von CE-SYS Engineering verbinden normgerechte Nachweisführung mit praxisnaher Simulationserfahrung aus zahlreichen Projekten. Nehmen Sie Kontakt auf, um Ihre spezifische Aufgabenstellung zu besprechen.