schaden s analyse

SCHADENSANALYSE

- Skript zur Vorlesung -

Prof. Dr. rer. nat. Michael K. Schaper

Februar 2004

Professur fr Werkstoffzuverlssigkeit

Fakultt fr Maschinenwesen

INSTITUT FR WERKSTOFFWISSENSCHAFT

TECHNISCHE UNIVERSITT DRESDEN

Inhalt Seite 2

TU Dresden Institut fr Werkstoffwissenschaft Prof. M. Schaper

1. Einfhrung...................................................................................................................3 1.1 Allgemeines ................................................................................................................................ 3 1.2 Begriffe ....................................................................................................................................... 4 1.3 Versagensverhalten von Bauteilen............................................................................................. 4 1.4 Ursachen vorkritischer Rissausbreitung..................................................................................... 6 2. Schadensursachen.....................................................................................................7 3. Durchfhrung einer Schadensanalyse .....................................................................8 3.1 Ablaufschema einer Schadensanalyse ...................................................................................... 8 3.2 Beweissicherung ........................................................................................................................ 8 3.3 Kernstck: Bestimmung der Bruchart......................................................................................... 9 4. Risse und Brche .....................................................................................................10 4.1 Begriffe im Zusammenhang mit Rissen und Brchen.............................................................. 10 4.2 Einteilung der Brche nach dominierender Beanspruchung.................................................... 11 4.3 Brche durch mechanische Beanspruchung ........................................................................... 11 4.3.1 Gewaltbruch ............................................................................................................................................ 11 4.3.2 Schwingbruch (Ermdungsbruch)............................................................................................................ 12 4.4 Beurteilung von Brchen .......................................................................................................... 13 4.5 Dokumentation einiger Brucharten........................................................................................... 13 4.5.1 Zher Zug-Gewaltbruch mit Schublippen ................................................................................................ 14 4.5.2 Frserfrmiger zher Zug-Gewaltbruch................................................................................................... 14 4.5.3 Zher Biege-Gewaltbruch........................................................................................................................ 14 4.5.4 Zher Torsions-Gewaltbruch ................................................................................................................... 15 4.5.5 Zher Druck-Gewaltbruch........................................................................................................................ 16 4.5.6 Sprder Zug-Gewaltbruch ....................................................................................................................... 16 4.5.7 Sprder Biege-Gewaltbruch .................................................................................................................... 17 4.5.8 Sprder Torsions-Gewaltbruch................................................................................................................ 17 4.5.9 Schwingbruch mit sprdem Restgewaltbruch.......................................................................................... 18 4.5.10 Schwingbruch mit zhem Restgewaltbruch ............................................................................................. 18 4.5.11 Formen von Schwingbruchflchen und Restgewaltbrchen in Abhngigkeit von Nennspannung und

Probenform.............................................................................................................................................. 19 4.5.12 Makroskopische Brucherscheinungen an Schwingungsbrchen ............................................................. 20 4.5.13 Torsionsschwingbrche (Wechselnde Torsion) ...................................................................................... 21 5. Anforderungen an Werkstoff und Konstruktion ....................................................22 5.1 Beanspruchungsgerechte Werkstoffauswahl........................................................................... 22 5.2 Bauteilauslegung / Dimensionierung........................................................................................ 22 5.3 bertragbarkeit von Werkstoffkennwerten............................................................................... 23 5.4 Qualittssicherung.................................................................................................................... 23 5.5 Versagensvorgang bei zyklischer Belastung ........................................................................... 25 6. Schadensursache Werkstoffermdung..................................................................26 6.1 Orte der Rissbildung................................................................................................................. 26 6.2 Rissbildungsmechanismen....................................................................................................... 26 6.3 Ermdungsrissausbreitung (ERA)............................................................................................ 26 7. Bruchmechanik in der Schadensanalyse...............................................................29 8. Beispiele fr hufig auftretende Schden..............................................................30 8.1 Schden an Zahnrdern in Getrieben (DIN 3979, Juli 1979)................................................... 30 9. Rechtsfolgen bei Schden.......................................................................................31 9.1 Allgemeines .............................................................................................................................. 31 9.2 Gesetzliche Haftung ................................................................................................................. 33 9.2.1 Verschuldungshaftung............................................................................................................................. 33 9.2.2 Verschuldensunabhngige Haftung......................................................................................................... 34 9.3 Produkthaftpflichtgesetz (Hauptpunkte) ................................................................................... 34 10. Praktikum und Seminar "Fraktografie" ..................................................................35

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1. Einfhrung 1.1 Allgemeines Lernziele Beurteilen von Brucherscheinungen, Erkennen von mageblichen Versagensursachen

und vorherrschenden Schadensmechanismen.

Anwendung dieser Kenntnisse bei der Analyse von Ursachen, Ablauf und Bedingungen von Bauteilschden sowie Ableitung von Manahmen zur Schadensverhtung

Inhalte Makroskopische und mikroskopische Erscheinungsbilder von Schden durch plastisches

Versagen, Sprdbruch, Ermdung, Korrosion, Kriechen, Verschlei.

Werkstoffseitige, fertigungs- und verarbeitungsbedingte, belastungsseitige (mechanische), umgebungsbedingte Einflussfaktoren

Vorgehensweise bei der Schadensanalyse: Untersuchungsprogramm, Auswertung, Beurteilung, Bericht / Gutachten, Empfehlungen fr Manahmen zur Schadensverhtung.

Literatur (1) VDI-Richtlinie 3822 (1984): "Schadensanalyse" Teil 1: Grundlagen, Begriffe und Definitionen Teil 2: Schden durch mechanische Beanspruchung Teil 3: Schden durch Korrosion in wssr. Medien Teil 4: Schden durch thermische Beanspruchung Teil 5: Schden durch tribologische Beanspruchung Teil 6: Erfassung und Auswertung von Schadensanalysen (2) Stahl-Eisen-Prfbltter des VDI, SEP 1100 (1992):

"Begriffe im Zusammenhang mit Rissen u. Brchen" (3) G. Lange (Hrsgb.):

"Systematische Beurteilung technischer Schadensflle" 5. Auflage, Wiley-VCH, Weinheim-New York ..., 2001

(4) L. Engel, H. Klingele: "Rasterelektronenmikroskopische Untersuchungen von Metallschden", Carl Hanser Verlag, Mnchen Wien, 1982

(5) L. Engel, H. Klingele, W. Ehrenstein, H. Schaper: "Rasterelektronenmikroskopische Untersuchungen von Kunststoffschden", Carl Hanser Verlag, Mnchen Wien, 1982

(6) K.G. Schmitt-Thomas: "Inegrierte Schadensanalyse", Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York, 1999

(7) J. Grosch: "Schadenskunde im Maschinenbau", expert-Verlag

(8) F.K. Naumann: "Das Buch der Schadensflle", Dr.Riederer-Verlag

(9) G. Lange und M. Pohl (Hrsgb.): "Werkstoffprfung, Schadensanalyse und Schadensvermeidung", WILEY-VCH Verlag, 2002

(10) Zeitschriften: - "Maschinenschaden" - "Failure Analysis"

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Ziele der Schadensanalyse Aufklrung (post mortem) Verhtung (ante mortem) Anregung von Forschungsaktivitten Inhalte der Schadensanalyse Anamnese (Beweissicherung) Diagnose (Ursachenklrung) Therapie (Empfehlungen) 1.2 Begriffe Schaden = Bauteilversagen durch Zerstrung / Bruch einer funktionsbestimmenden Komponente (bei Funktionsverlust allein spricht man i.d.R. noch nicht von einem Schaden, wohl aber von einem Versagen) Ursachenkomplexe

Produktfehler

Betriebsfehler

Unerwartete Ereignisse

Schadensfolgen

direkte materielle Verluste: Instandsetzungskosten, Ersatzteilbeschaffung, Erneuerung

indirekte materielle Verluste (Folgeschden): Stillstand der Anlage, Produktionsausfall usw.

Personenschden Umweltschden: lpest, radioaktive Verseuchung, Kontamination von Bden Moralische Schadensfolgen: Bonittsverlust

In der Regel: indirekte Kosten >> direkte Kosten

Rechtsfolgen Ergeben sich aus Haftungsrecht 1.3 Versagensverhalten von Bauteilen Unbrauchbarkeit eines Gegenstandes entsteht durch wesentliche Beeintrchtigung

funktionsbestimmender Eigenschaften. Der Funktionsverlust aufgrund unzureichender mechanischer Eigenschaften wird als (mechanisches) Versagen bezeichnet.

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Unterschiedliche Gebiete der Technik haben unterschiedliche Kriterien fr das Versagen von Bauteilen/-elementen.

Eine Versagensbetrachtung erfolgt auf der Grundlage versagensrelevanter

Werkstoffeigenschaften W (= Werkstoffwiderstand) einerseits und einer Analyse der Beanspruchungen B andererseits.

W B Zur Ermittlung der jeweils relevanten Eigenschaften (Werkstoffwiderstnde) werden

mglichst einfache Prfmethoden eingesetzt. Diese sind gekennzeichnet durch Grundbelastungsarten, einfache Probengeometrien, ungestrte Oberflchen, konstante Versuchsparameter (Geschwindigkeit, Frequenz), Normalbedingungen (Medium, Temperatur), kurze Prfzeiten.

bertragungsfunktionen vermitteln den Zusammenhang zwischen dem Verhalten

einfacher Prfkrper unter Laborbedingungen und dem Werkstoffverhalten im Bauteil unter realistischen Beanspruchungen.

Die gelufigen Werkstoffkennwerte sind nicht immer unmittelbar kompatibel mit

quantitativen Versagensbetrachtungen (Beispiel: Kerbschlagzhigkeit)! Bauteilversuche dienen der Verifikation von Versagensbetrachtungen Beispiel 1: Tragende Konstruktionen, Maschinenelemente u.. Wesentliche Funktionsbedingung ist, dass das Bauteil keine plastischen Verformungen erfhrt. Demzufolge werden die zulssigen Verformungen i.allg. auf elastische Nenndehnungen begrenzt, auch wenn rtliche plastische Verformungen an funktionsbedingten Spannungskonzentrationsstellen (Kerbgrund) erlaubt sind.

Bemessungs- / Bewertungsgrundlage ist zumeist das Nennspannungskonzept auf der Grundlage der Streckgrenze des Werkstoffs. Bruchsicherheit wird erreicht durch zustzliche Bewertung des Werkstoffwiderstandes gegenber vorkritischer Rissausbreitung (zyklische Belastung, aggressive Umgebung) und Rissinstabilitt ("Sprdbruch" nach lokaler plastischer Verformung). Zugfestigkeit, Verfestigungsverhalten oder Duktilitt des Werkstoffs sind nur insofern von Bedeutung als sie eine zustzliche Sicherheitsreserve einbeziehen.

Besondere Randbedingung Die Einsatzbeanspruchungen mssen oft ber viele Jahre bruchsicher abgefangen werden. Die Bauteilbemessung muss in diesen Fllen Schadensakkumulationskonzepte zur Abschtzung der Bauteillebensdauer einbeziehen.

Beispiel 2: Metallumformprozesse Charakteristisch fr derartige Prozesse sind groe und ausgedehnte plastische Verformungen. Lokale Querschnittsschwchung wird dabei jedoch nur bedingt toleriert.

Bemessungs- / Bewertungsgrundlage Eine Versagensbetrachtung bezieht sich auf plastische Instabilitt im Sinne der Zugfestigkeit (geometrische Instabilitt), jedoch unter mehrachsigen Beanspruchungen und ggf. unter Einbeziehung gewnschter Anisotropieeffekte. Grundforderung ist ein hohes Verfestigungsvermgen (Verfestigungsexponent), so dass Verformungslokalisationenen

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unterdrckt werden. Zur Sicherheit gegenber vorzeitigem duktilem Bruch wird zustzlich eine hohe Brucheinschnrung gefordert.

Besondere Randbedingung Eine weitere Besonderheit ist die, dass Umformprozesse in kurzer Zeit bei hoher Geschwindigkeit ablaufen und abgeschlossen sind. Der Einfluss hoher Verformungsgeschwindigkeiten auf Festigkeit und Verformbarkeit (Gleichmadehnung) ist daher zu bercksichtigen

Versagensarten bermige elastische Verformung Plastische Verformung, Abscheren von Atomebenen

Beginn plastischer Verformung

Instabilitt plastischer Verformung (plastischer Kollaps)

Rissausbreitung, Trennen von Atombindungen (Spalten, Dekohs.) Rissbildung

Beginn Rissausbreitung (=Rissinitiierung)

Instabilitt der Rissausbreitung

1.4 Ursachen vorkritischer Rissausbreitung Monotone Belastung R-Kurven-Verhalten Zyklische Belastung Ermdungsrissausbreitung Aggressive Umgebung Spannungsrisskorrosion Schwingungsrisskorrosion Hohe, ggf. wechselnde Temperatur Kriechen (Kriechrissausbreitung) Kriechermdung Thermische Ermdung

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2. Schadensursachen Grundstzliche Schadensursachen Ausreizen moderner Werkstoffe Risikotechnologien Kostendruck: "Bananenprinzip", "Werkstofftourismus" bertragbarkeitsgrenzen: "Storchschnabelproblem", Betriebsfestigkeit, .... Ursachenkomplexe im Maschinenbau nur ca. 3 % Materialfehler groer Anteil an Konstruktionsfehlern und Verarbeitungsmngeln mittlerer Anteil an Belastungsfehlern (berlastungen, Fehlbedienungen,

Medieneinbruch,....)

Einflussfaktoren auf das Schadensgeschehen Werkstoffzustand (duktil - sprde) Strukturzustand: Gitterstruktur, Abweichungen vom angestrebten Gefgezustand,

Texturen, Einschlsse, gelste Gase (H !), ...... Verarbeitungszustand: Wrmebehandlung, Oberflchengte, Eigenspannungen Werkstofffehler: Poren, Schlackeeinschlsse, Lunker, Walz-/Schmiedefehler,

Schweifehler, Mikrorisse,... Beanspruchungszustand Belastungsart: Zug, Druck, Schub, Biegung, Torsion Spannungszustand: ein-/mehrachsig, ij , V Dynamische und zyklische Belastungen thermische Belastungen Umgebungsbedingungen: gasfrmige / wssrige Medien Hufige Schadensursachen Sprdbruch

gefhrliche Kombination , T, d/dt Fehlinterpretation der AK(T)-Kurve

Schwingbruch Gestalt (Kerb in Kerb)

Oberflchenqualitt

Fehlinterpretation der Whlerkurve (D, K !!) Erwartungen an hochfeste Werkstoffe

ca 60% aller Schden sind Schwingbrche

Korrosion H-Versprdung bei Rm > 1000MPa

Kritikloser Einsatz von "VA-Stahl"

Wegfall von D

Durchfhrung einer Schadensanalyse Seite 8


3. Durchfhrung einer Schadensanalyse 3.1 Ablaufschema einer Schadensanalyse

(VDI-Richtlinie 3822)

Schadensbeschreibung (Beschreibung und Dokumentation des Schadensteiles sowie von Aussehen, Lage,

Ausgangspunkt von Verformungen, Rissen, Korrosions- und Verschleispuren, Belgen, Verfrbungen usw., Beweissicherung)

Bestandsaufnahme

(Hintergrundinformationen zu Herstellung und Hersteller der Anlage, ber Revisionen / berwachungspflichtigkeit, ber Werkstoffherstellung,

Verarbeitung und Bauteilfertigung, ber Berechnungs- und Zulassungsunterlagen, ber Funktion und Betriebsbedingungen - z.B. klimatische Bedingungen kurz vor

Schadenseintritt - sowie Schadensablauf )

Schadenshypothese

Einzeluntersuchungen

(Untersuchungsplan, Probennahme, makroskopische und mikroskopische Bruchbeurteilung, Durchfhrung von Werkstoffuntersuchungen, ggf. auch von

Simulationsversuchen am Schadensteil, ggf. auch Nachrechnung der Bauteilauslegung, Vergleich Sollzustand Istzustand )

Ermittlung der Schadensursache

(Bewertung von primrer Schadensursache und schadensbegnstigenden Faktoren, Rekonstruktion des Schadensablaufs)

Schadensbericht

(Angabe von Schadensteil, Auftraggeber und Anlass der Untersuchungen, Umfang und Ergebnissen von Bestandsaufnahme und Einzeluntersuchungen, Bewertung der

Schadensursache(n), Angaben zum Kenntnisstand (Quellenangabe), ggf. Empfehlung von Abhilfemanahmen (gesondert !!) und Hinweise zur Schadensverhtung,

Dokumentation des Berichtes)

3.2 Beweissicherung Spurensicherung

Bruch vollstndig dokumentieren: Skizzen, Fotos Wichtige Bruchgebiete lokalisieren Bruchflchen sicherstellen (beide !) Bruchflchen schtzen (nicht berhren, Sprhlack verwenden, Lagerung im Exsikkator)

Schadensbeurteilung am Entstehungsort

Durchfhrung einer Schadensanalyse Seite 9


Zustand der Anlage Begleitumstnde des Schadens Zu untersuchende Teile und Art (Vorsicht bei Schweibrenner !) des Heraustrennens

festlegen Ausknfte und Unterlagen einholen ber

Werkstoff (Prfbescheinigungen) Wrmebehandlung Fertigung Abnahmeprfung Konstruktion, Berechnung, Zulassung des Bauteils Betriebsbedingungen und Funktion des Bauteils

3.3 Kernstck: Bestimmung der Bruchart

(SEP 1100)

Fraktografie , V= 30, 300,1000, 3000, ggf. > 5000:1 visuelle Beurteilung: Skizzen, Fotos von Bauteil und Schadteil anfertigen, die Mastab

und Entnahmeort der Proben fr fraktografische Detailuntersuchungen belegen

Lichtmikroskop (Stereomikroskop) makroskopische Bruchmerkmale beurteilen Skizze der Bruchflche als Vorbereitung fr mikroskopische Untersuchungen anfertigen

Rasterelektronenmikroskop (REM), mikroskopische Merkmale von Rissbildungsort und Rissausbreitung analysieren

Ggf. zustzliche Untersuchungen: (Chemische) Werkstoffanalytik Materialografie / Metallografie Zerstrungsfreie Defektprfungen (zfP) (Physikalische) Strukturuntersuchungen Mechanische Prfungen Korrosionsuntersuchungen

Zerstrungsfreie Werkstoffprfung (Bedarfsfall) Rntgengrobstrukturprfungen Grobstrukturprfung mit radioaktiven Isotopen Ultraschallprfungen Magnetische und elektrische Prfungen Eindringverfahren

Eigenspannungsmessung (Bedarfsfall) Rntgenografische Eigenspannungsmessung

Rntgenrckstrahlverfahren mit Filmregistrierung Rntgendiffraktometer mit Zhlrohr-/Szintillationszhler-Registrierung

Bohrlochmethode

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4. Risse und Brche 4.1 Begriffe im Zusammenhang mit Rissen und Brchen

Lit.: Verein Deutscher Eisenhttenleute (VDEh), Stahl-Eisen-Prfblatt SEP1100, Sept.1992

Terminology related to the fracture behaviour of materials and structures

Criterion Type of fracture

Loading conditions

Type of failure impact (dynamic)/ fatigue (cyclic)/ creep (primarily responsible loading (high temp) / stress corrosion (environ- conditions) mentally assisted) fracture; corrosion fatigue, ...

Macroscopic criteria

macroscopic fracture plane normal stress shear stress fracture energy consumption till fracture ductile (tough) brittle fracture (or overall deformation)

system performance stable fracture unstable fracture (stability of structure or component as determined by loadig path vs. material resistance curve)

crack growth regime precritical (slow) critical (final, usually (growth behaviour with respect to crack growth fast) fracture specific conditions of loading, geometry, and environment)

fracture surface appearance rough / fibrous smooth dull (matt) crystalline (kristallin, glnzend) Microscopic criteria

microscopic fracture path transgranular inter-, quasi-intergranular microscopic fracture mode cleavage (quasi-cleavage) plastic ( separation mechanism) fracture (shear or dimple fracture) features of fracture surfaces dimples (voids), slip band decohesion, ( crack growth mechanism) tongues, facettes, hair lines, striations, secondary cracks, river patterns, fish eyes,....

Any combination of the above-mentioned aspects of fracture seems possible



4.2 Einteilung der Brche nach dominierender Beanspruchung (nach SEP 1100 und VDI-Richtlinie 3822)

Mechanisch bedingte Risse und Brche Gewaltbruch Gleitbruch (Wabenbruch) Transkristalliner Gleitbruch Interkristalliner Gleitbruch Spaltbruch Transkristalliner Spaltbruch Interkristalliner Spaltbruch Mischbruch Schwingbruch Korrosionsbedingte Risse und Brche Interkristalline Korrosion Interkristalline Spannungsrisskorrosion Anodische Spannungsrisskorrosion H-induzierte Risse und Brche H-induzierte Spannungsrisskorr. Schwingungsrisskorrosion Ltbruch Thermisch bedingte Risse und Brche Kriechbrche Schweirisse Heirisse Hrterisse Schleifrisse Wrmeschockrisse

4.3 Brche durch mechanische Beanspruchung 4.3.1 Gewaltbruch Gewaltbrche entstehen durch mechanische berbelastung bei mig schneller bis schlagartiger Beanspruchung. Mgliche Ursachen: - Beanspruchung knnte ber den Annahmen liegen - Werkstoff hat nicht (mehr) die geforderten Festigkeitseigenschaften. - Lastannahmen und Werkstoffauswahl sind mglicher Weise nicht angemessen - Mehrachsige uere Belastungen und unerwartete Eigenspannungen sind oft nur schlecht bewertbar. Gemeinschaftsaufgabe fr Konstrukteur, Betriebsingenieur und Werkstoffingenieur a) Gleitbruch (Verformungsbruch) Makroskopisch kann der Gleitbruch unter Zugbeanspruchung zu einem reinen Scherbruch fhren (saubere Werkstoffe) oder einen "cup and cone" Bruch (Trichterbruch) ergeben. Unter Biegung kann ein "Holzfaserbruch", unter berlagerter Torsion auch einen Frserbruch auftreten.



Mikroskopisch ist der Gleitbruch in technischen Werkstoffen als Wabenbruch erkennbar und mageblich durch Zweitphasenteilchen ausgelst und beeinflusst. Wichtige Einflussfaktoren sind - physikalische Eigenschaften der Teilchen relativ zur Matrix ( Eigenspannungen) - Anordnung/Verteilung der Teilchen (trans-/ interkristalliner Gleitbruch) - Sprdigkeit der Teilchen ( Teilchenbruch) - Grenzflchenkohsion ( Dekohsionsrisse) - Matrixeigenschaften zwischen den Teilchen ( Verfestigungsexponent !) Achtung: Nicht an jedem Teilchen entsteht eine Wabe ! (kritische Gre und Form)

Die Erscheinungsform der Waben richtet sich nach dem rtlichen Beanspruchungszustand ( gerade Waben, Schubwaben), nach der Duktilitt der die Teilchen umgebenden Matrix ( tiefe bzw. flache Waben) und danach, ob sie im Korn (transkristalliner Wabenbruch) oder an groben Ausscheidungen auf den Korngrenzen (interkristalliner Wabenbruch) oder auch an Korngrenzenporen (typisch fr Kriechbruch) entstehen.

b) Spaltbruch Werkstofftrennung entlang definierter kristallografischer Ebenen fhrt zum transkristallinen Spaltbruch. Die Spaltebenen sind im krz-Gitter (Fe) die Wrfeloberflchen {100} und in hdp die {0001}-Ebenen. Im kfz-Gitter ist Spalten nicht mglich, auer bei berlagerter Korrosion. Die Bezeichnung "interkristalliner Spaltbruch" nach VDI gilt fr das Aufspalten entlang Korngrenzen.

Auf den Spaltflchen bilden sich Spaltfacetten mit river lines (Flusslinien in Richtung der Rissausbreitung), river pattern (Flussmuster mit Wurzel am Beginn und Mndung am Ende), Zungen (an Zwillingen). Die Spaltflchen sind nicht atomar glatt.

4.3.2 Schwingbruch (Ermdungsbruch) a) Ermdungsrisse wachsen stets senkrecht zur Richtung der grten

Hauptnormalspannung.

b) Die Ermdungsbruchflchen unterscheiden sich deutlich vom Gewaltbruch / Restbruch durch eine auffllig feinere Strukturierung und geringere Rauhigkeit (glatteres Aussehen).

c) Die makroskopische und mikroskopische Analyse von Ermdungsbrchen liefert wertvolle Aussagen fr die Bewertung von Schadensfllen.

Schadensflle lassen oft eine Rckverfolgung der ERA zum Entstehungsgebiet des Risses / der Risse (Anrisslinse) zu und damit Rckschlsse auf magebende Belastungsbedingungen des Bauteils. Die relative Ausdehnung des Restbruchgebietes gibt Hinweise auf die Hhe der Beanspruchung. Makroskopische und mikroskopische Details der Ermdungsrissflche lassen daher oft auf die magebenden Beanspruchungskomponenten, auf Beanspruchungshhe und Vorgeschichte schlieen und ermglichen eine Lokalisierung und Beurteilung von Rissausgangsstelle und Rissverlauf. Makroskopisch/lichtmikroskopisch sind oftmals sog. Rastlinien zu erkennen, die bei pltzlichen nderungen der Belastungsbedingungen (Amplitude, Mittellast) entstehen. Bruchbahnen sind Stufen zwischen parallelen Rissbereichen und verlaufen in Rissausbreitungsrichtung. Fr Ermdung typische Sekundrrisse bilden sich entlang der aktuellen Rissfront und laufen senkrecht in die Bruchflche hinein. Schwingungsstreifen sind ggf. ein Abbild des ERA-Prozesses.

Im Rasterelektronenmikroskop sind auffllig: Bereich A: Reiboxidationsprodukte



Bereich B: Schwingungsstreifen senkrecht zur lokalen Rissausbreitungsrichtung (Abstand = Rissfortschritt pro Schwingspiel)

Bereich C: Grob strukturierte, rauhe Bruchflchen mit fr den Gewaltbruch typischen Brucherscheinungen: Waben durch geffnete Mikrohohlrume an Teilchen in zhen Werkstoffen, Spaltbruch/Quasispaltbruch bei sprden Werkstoffzustnden (sprde Phasen, tiefe T), interkristalline Bruchflchenanteile bei Spurenelementanreicherungen an Korngrenzen oder starker beralterung mit ausscheidungsbelegten Korngrenzen,

in korrosiven Umgebungen und bei erhhten Temperaturen entstandene Bruchflchen lassen magebliche Einflussfaktoren erkennen: transkristalline Quasispaltbruchanteile bei Wasserstoffwirkung, interkristalline, mit Grbchen bedeckte Anteile bei Kriechermdung usw.

Der bergang vom Kurz- zum Makroriss wird durch eine werkstoffspezifische charakteristische Rissgre beschrieben, die sich aus Schwellwert und Dauerfestigkeit

berechnet: aoc ~ ( KS / 2D )2 Diese ist ein Ma fr die mit zunehmender Festigkeit ansteigende Kerb-/

Rissempfindlichkeit der Werkstoffe (=Risstoleranzparameter) Achtung: Kurze Risse (a



4.5.1 Zher Zug-Gewaltbruch mit Schublippen

Schadensmerkmale

makroskopisch mikroskopisch

Zone 1: Die Bruchflche verluft quer zur Axialrichtung, ist eben, matt und rauh. Ein Bruchanfang ist nicht zu erkennen.

Die Bruchflche ist eben und besitzt gerade, tiefe Waben.

Zone 2: An der Auenoberflche ist eine starke Brucheinschnrung erkennbar. Die Bruchflche ist trichterfrmig ausgebildet, ist glatt und glnzt. Die Bruchflche erscheint matt, wenn Blick- und Schubrichtung bereinstimmen. Die Schublippen weisen auf das Bruchende hin.

Auf der ebenen Bruchflche sind Schubwaben vorhanden.

4.5.2 Frserfrmiger zher Zug-Gewaltbruch

Schadensmerkmale


Eine Brucheinschnrung ist sichtbar. Zone 1: Die Bruchflche verluft quer zur Axialrichtung, ist eben, matt und rauh. Ein Bruchanfang ist nicht zu erkennen.

Die Bruchflche ist eben und besitzt gerade, tiefe Waben.

Zone 2: Die Bruchflche liegt quer zur Axialrichtung und weist frserfrmig ausgebildete Schubflchen auf. Hinweise auf den Bruchanfang und das Bruchende sind nicht erkennbar.

Die Schubflchen sind eben und besitzen Wabenstrukturen.

4.5.3 Zher Biege-Gewaltbruch



Schadensmerkmale


Die Bruchflche ist eben und besitzt Schubwaben.

Das Bauteil ist sichtbar verbogen. Zone 1: Die Bruchflche verluft schrg zur Axialrichtung, ist stark verformt, eben glnzend und glatt. Die Bruchlinien weisen auf den Bruchanfang und die Schublippe auf das Bruchende hin.

Zone 2: Die Bruchflche verluft quer zur Axialrichtung ist verformungsarm, eben matt und rauh.

Die Bruchflche ist eben und besitzt gerade Waben wie beim zhen Zug-Gewaltbruch. Die geringe Schrgstellung der Waben kann nur bei stereometrischer Auswertung erkannt werden.

4.5.4 Zher Torsions-Gewaltbruch

Schadensmerkmale


Das Bauteil ist sichtbar verdreht. Die Bruchflche liegt quer zur Axialrichtung, ist verformungsarm, eben, glnzend und glatt. Es gibt keine Hinweise auf Bruchanfang und Bruchende.




4.5.5 Zher Druck-Gewaltbruch

Schadensmerkmale


Es findet blicherweise nur ein Ausbauchen des Bauteils und Anreien der Oberflche in Axialrichtung statt.

Nach Aufbrechen der Risse: Die Bruchflche ist eben und besitzt gerade, tiefe Waben

4.5.6 Sprder Zug-Gewaltbruch

Schadensmerkmale


Spaltbruch: Die Bruchflche verluft transkristallin auf ebenen Spaltflchen. Diese Spaltflchen entsprechen definierten Kristallebenen. Die Spaltflchen erstrecken sich jeweils ber ein Gefgekorn. Es sind keine Werkstoffinhomogenitten sichtbar.

Die Bruchflche verluft quer zur Axialrichtung, ist verformungslos, eben, matt und rauh. Bruchlinien und ggf. Abstze lassen den Bruchanfang und die Rissausbreitungsrichtung erkennen.

Interkristalliner Bruch: Die Bruchflche ist hufig zerklftet, und es sind Korngrenzflchen erkennbar. Auf den Korngrenzflchen sind meist Ausscheidungen und Einschlsse vorhanden.



4.5.7 Sprder Biege-Gewaltbruch

Schadensmerkmale


Die Bruchflche verluft quer zur Axialrichtung, ist verformungslos, eben, matt und rauh. Bruchlinien und ggf. Abstze lassen den Bruchanfang und die Rissausbreitungsrichtung erkennen.

Spaltbruch, Interkristalliner Bruch: Die Bruchflche ist hufig zerklftet, und es sind Korngrenzflchen erkennbar. Auf den Korngrenzflchen sind meist Ausscheidungen und Einschlsse vorhanden.

4.5.8 Sprder Torsions-Gewaltbruch

Schadensmerkmale


Die Bruchflche verluft unter 45 zur Axialrichtung, ist verformungslos, eben, matt und rauh. Bruchlinien lassen den Bruchanfang und das Bruchende erkennen.

Spaltbruch, Interkristalliner Bruch: Die Bruchflche ist hufig zerklftet, und es sind Korngrenzflchen erkennbar. Auf den Korngrenzflchen sind meist Ausscheidungen und Einschlsse vorhanden.



4.5.9 Schwingbruch mit sprdem Restgewaltbruch

Schadensmerkmale


Zone 1: Die Bruchflche verluft entsprechend der folgenden Tabelle, ist verformungslos, eben, matt und rauh. Abstze weisen auf den Bruchanfang hin.

Die Bruchflche verluft trans- oder interkristallin. Sie ist eben und besitzt Schwingstreifen und Nebenrisse. Es sind keine Ausscheidungen und Einschlsse erkennbar.

Zone 2: Die Bruchflche verluft

quer zur Axialrichtung, ist verformungslos, eben, matt und rauh.

Die Bruchflche ist eben und kann Spaltflchen aufweisen. Es sind keine Ausscheidungen und Einschlsse erkennbar.

4.5.10 Schwingbruch mit zhem Restgewaltbruch

Schadensmerkmale


Zone 1: Diese Zone ist nur einige Gefgekrner breit und daher makroskopisch nicht sichtbar.

Die Bruchflche liegt schrg und ist eben.

Zone 2: Die Bruchflche verluft entsprechend der folgenden Tabelle, ist verformungslos, eben, matt und samtartig rauh. Abstze und Rastlinien kennzeichnen den Bruchanfang, Nebenrisse das Bruchende.

Die Bruchflche liegt quer, ist eben, und es sind Schwingbruchbahnen, Schwingstreifen und Nebenrisse erkennbar.

Zone 3: Die Bruchflche verluft entsprechend der folgenden Tabelle, ist verformungsarm, eben, matt und rauh.

Die Bruchflche ist eben und besitzt gerade, tiefe Waben und evtl. Nebenrisse.

Zone 4: Die Bruchflche verluft schrg zur Axialrichtung und ist stark verformt, eben, glnzend und glatt. Die Schublippen weisen auf das Bruchende hin




4.5.11 Formen von Schwingbruchflchen und Restgewaltbrchen in Abhngigkeit von Nennspannung und Probenform

(Schwingbruchflchen (hell) Restgewaltbrchen (dunkel)) Bei den gekerbten Proben mit niedriger Nennspannung treten gleichzeitig viele Teilschwingbrche auf, die durch Abstze voneinander getrennt sind und sich bei der Ausbreitung im Querschnittinneren vereinen. Die bogenartigen Linien um den Bruchanfang heien Rastlinien. Zugdruck-Wechselbiege und Umlaufbiegeschwingbruchflchen sind meistens verhmmert. Die frserfrmigen Torsions-Schwingbrche entstehen durch zahlreiche, am Umfang verteilte 45 Schwingbrche.

Hohe Nennspannung Niedrige Nennspannung glatt gekerbt glatt gekerbt

Zug- Druck- Schwingbruchflche

Umlaufbiege- Schwingbruchflche

Schwellbiege- Schwingbruchflche



Wechselbiege- Schwingbruchflche

Wechselnde Belastung Schwellende Belastung

Torsions- Schwingbruchflche

4.5.12 Makroskopische Brucherscheinungen an Schwingungsbrchen hohe Nennspannung niedrige Nennspannung glatt Kerb glatt Kerb

Zug und Zug-Druck

einsinnige Biegung

wechselsinnige Biegung

umlaufende Biegung



4.5.13 Torsionsschwingbrche (Wechselnde Torsion) Formen von Schwingbruchflchen (hell) und Restbruchflchen (dunkel) in Abhngigkeit von Nennspannung und Probenform. Die Pfeile zeigen die Rissausbreitungsrichtung an. Parallel zu den Pfeilen liegen die makroskopischen Bruchlinien. Bei den gekerbten Proben treten gleichzeitig viele Teilschwingbrche auf, die durch Abstze voneinander getrennt sind und sich bei Ausbreitung im Querschnittinneren vereinen. Die Bogenlinien zeigen den Verlauf der Bruchfronten an und heien Rastlinien.

hohe Nennspannung niedrige Nennspannung

glatt Kerb glatt Kerb

Anforderungen an Werkstoff und Konstruktion Seite 22


5. Anforderungen an Werkstoff und Konstruktion 5.1 Beanspruchungsgerechte Werkstoffauswahl Forderung:

Anforderungsprofil = Eigenschaftsprofil

Anforderungsprofil: Werkstoffanforderungen, die sich aus Herstellungstechnologie, konstruktiver Gestaltung, Verwendungszweck und aus den zu erwartenden Belastungen des Bauteils ableiten Eigenschaftsprofil: Komplex der einsatzrelevanten Werkstoffeigenschaften Oft ist das Anforderungsprofil so komplex, dass es von einem homogenen Werkstoff nicht erfllt werden kann. Unter diesen Bedingungen bieten sich an: Werkstoffe mit spezieller Oberflchenbehandlung (Gradientenwerkstoffe) oder der Einsatz von Werkstoffen im Verbund (Werkstoffverbunde)

5.2 Bauteilauslegung / Dimensionierung Forderung:

Werkstoffbeanspruchung < Werkstoffwiderstand B < W

Werkstoffbeanspruchung: Hhe und Art der mechanischen Beanspruchung in versagenskritischen Bereichen einer Konstruktion, z.B. Spannung, berechnet aus der (ueren) Belastung, z.B. Biegemoment. Werkstoffwiderstand: Widerstand, die der Werkstoff der Beanspruchung entgegensetzt Werkstoffkennwert, z.B. Fliegrenze Rp0,2 oder Bruchzhigkeit KIC, Werkstoffkennfunktion, z.B. Spannungs-Dehnungskurve. Sicherheitsbetrachtungen: Zur Gewhrleistung einer ausreichenden Sicherheit mechanisch belasteter Bauteile / Konstruktionen werden die Werkstoffkennwerte mit zustzlichen Sicherheitsfaktoren beaufschlagt, die das Risiko unsicherer Lastannahmen und Werkstoffkennwerte, berhhter Belastungen, nichterkannter Defekte o.. abfangen sollen.

B = W / S

Die Sicherheitsfaktoren S werden aus Erfahrungen oder / und mit Hilfe statistischer Betrachtungen abgeleitet und bercksichtigen das Schadensrisiko ( = Eintrittswahr-scheinlichkeit des Schadens x Schadensfolgen). Statistisch begrndete Sicherheitsfaktoren bercksichtigen die statistische Unsicherheit von Werkstoffkennwerten und Lastannahmen. Der berschneidungsbereich der Hufigkeitsverteilungen von Werkstoffkennwert und Bauteilbelastung gibt die Ausfallwahrscheinlichkeit an.



5.3 bertragbarkeit von Werkstoffkennwerten Kennwerte fr das mechanische Werkstoffverhalten werden im Labor an einfach gestalteten Proben unter idealisierten Bedingungen (Normalbedingungen, Zugversuch) und in mglichst kurzen Zeitrumen ermittelt. Die bertragbarkeit dieser Kennwerte auf

groe Bauteile, mehrachsige Belastungen, lange Zeiten, zufallsartige Last-Zeit-Verlufe ist nicht a priori gegeben. Erforderlich sind geeignete Konzepte (Konzept der Vergleichsbeanspruchungen, Schadensakkumulationshypothesen..). 5.4 Qualittssicherung

Qualitt: Erfllung der berechtigten Anforderungen und Erwartungen an Gebrauchstauglichkeit und Sicherheitstauglichkeit der Produkte

Qualittskreis: Ganzheitliche Betrachtung der Qualitt aus der gemeinsamen Sicht aller an Entwicklung, Herstellung und Nutzung eines Produktes Beteiligten.

Zuverlssigkeit: Qualitt unter vorgegebenen Anwendungsbedingungen whrend oder nach einer vorgegebenen Zeit

Zuverlssigkeit R (Reliability) und Ausfallwahrscheinlichkeit F (Failure Probability) ndern sich in Abhngigkeit von der Betriebs-, Nutzungszeit. Die Ausfallrate zeigt oft eine "Badewannenkurve", gekennzeichnet durch:

Frhausflle Zufallsausflle Sptausflle (Materialfehler) (Alterung) Whrend im Bereich der Mikroelektronik oft die Frhausflle ein Problem darstellen, sind fr den Werkstoffeinsatz in tragenden Konstruktionen die Sptausflle infolge Alterung, Werkstoffermdung, Korrosion von besonderer Bedeutung.



Fgetechnik - topografische Verzahnung - strukturelle Verbindung - Grenzschichtgestaltung

Oberflchentechnik - Mikrostrukturelle Gradierung - Eigenspannungsausbildung - Oberflchenqualitt

Zerstrungsfreie Prfung/ berwachung

- Werkstoffeigenschaften - Defekt-/ Fehlerprfung - Schdigung (Kinetik)

Beanspruchungsanalyse ggf. berwachung

- Spannungen, Dehnungen - Betriebl. Belastungsfolge - therm./chem.Beanspruchung

bertragungsfunktionen Greneinflu: Schwachstellentheorie Gestalteinflu: Vergleichsbeanspruchung Betriebslasten: Identifikation, Schadensakkumulation Betriebsdauer: Extrapolation

Bauteilzuverlssigkeit (sichere Funktionserfllung fr vorgegebene Nutzungsdauer)

Mechanische Werkstoffeigenschaften

- Basisdaten - - Festigkeit, Verformbarkeit, Zhigkeit fr monotone, zyklische, korrosive Beanspr. - Widerstand gegen vorkr. Riausbreitung - Lebensdauer



Zuverlssigkeit = Gewhrleistung der Funktionserfllung von Systemen/Bauteilen/Elementen fr vorgegebene Zeit 5.5 Versagensvorgang bei zyklischer Belastung

gekennzeichnet durch - mechanische Hysterese (Energiedissipation), - Wechselverformungskurven (Ver-/Entfestigung) - Zyklische Spannungs- Dehnungskurve fr quasistationren Sttigungszustand von Substruktur und Eigenschaften

gekennzeichnet durch: Anrisslebensdauer: - Spannungswhlerlinie (Basquin-Kurve) - Dehnungswhlerlinie (Manson-Coffin-Kurve)

gekennzeichnet durch: Lokalisierung der Schdigung im Rissspitzenbereich - Kurzrisskinetik - Risskinetik- Diagramm fr Makrorisse

gekennzeichnet durch: - Risswiderstandskurve (R-Kurve) - Bruchzhigkeit

Ein Versagen innerhalb der vorgesehenen Nutzungszeit tritt mit hinreichender Wahrscheinlichkeit nicht auf.

Simulation durch glatte Proben mit homogener, einachsiger (Volumen-) Beanspru- chung

Zyklische plastische Verformung (Volumeneffekt)

Vielfachrissbildungen an der Oberflche

Simulation durch knstlich angerissene Proben (Bruch- Mechanik)

Vorkritische Rissausbreitung

Kritische Rissausbreitung unter Wirkung der Maximallast

Bruch / Restbruch

Schadensursache Werkstoffermdung Seite 26


6. Schadensursache Werkstoffermdung 6.1 Orte der Rissbildung Unter technischen Bedingungen geht der Ermdungsbruch in der Regel von der Bauteiloberflche aus. Die Rissbildung ist dabei empfindlich von der Oberflchenbeschaffenheit abhngig. Ursachen: - Inhomogene Beanspruchungen (Biegung, Torsion, Kerben), - Spannungskonzentrationen durch oberflchennahe Fehlstellen (Einschlsse, Grenzflchen) oder lokalisierte Gleitung (Gleitstufen) - Umgebungswirkungen. Rissbildung in homogenen Metallen an uerer Oberflche: Gleitstufen (Abpolieren

erhht Lebensdauer) Rissbildung in technischen Werkstoffen: Hohlrume, Schlacke-, Gaseinschlsse

(Blasen), nichtmetallische Einschlsse (=NME), Kratzer, Rauhigkeiten, Kerben, Bereiche mikrostruktureller oder chemischer Inhomogenitt

Rissbildung an Bauteilen: Steifigkeitssprnge, Kerben (Kerb in Kerb !!), grob bearbeitete Oberflchen (evtl. mit Eigenspannungen), Beschdigungen, sprde Beschichtungen, weniger hufig an Einschlssen unterhalb der Oberflche in randschichtgehrteten Bauteilen (z.B. Zahnrder in Hochleistungsgetrieben)

Beispiele fr Rissbildung in technischen Werkstoffen: - NME in Stahl: MnS - Einschlsse (bis ca 0,1mm lang), Oxide, Silikate - intermetallische Phasen in Al - Legierungen (10m) 6.2 Rissbildungsmechanismen Verformungskonzentration an Gleitstufen, Ex-/Intrusionen Rissbildung an/in Einschlssen und Ausscheidungen, untersttzt durch

Unterschiede in Festigkeit, E-Modul u./o. thermischem Ausdehnungskoeffizient zwischen Teilchen und Matrix ( rtliche Spannungen)

Reduzierte Grenzflchenfestigkeit (H !, Spurenelemente) Selektiver Oberflchenangriff durch Umgebungseinflsse, Lokalelementbildung

zwischen chemisch unterschiedlichen Werkstoffbereichen Bruch sprder Deck-/Schutzschichten 6.3 Ermdungsrissausbreitung (ERA) Nach der Lage der Rissausbreitungsebene lassen sich unterscheiden: Stadium I : ERA entlang Ebenen maximaler Schubspannung, d.h. im Mittel unter 45

zur ueren Belastung (in reinen Metallen und Legierungen). In technischen Werkstoffen tritt Stadium I nicht oder nur sehr eingeschrnkt auf .

Stadium II : ERA in Ebenen maximaler Hauptnormalspannung bzw. entlang der Schnittebene von Ebenen maximaler Schubspannung, d.h. im Mittel senkrecht zur ueren Beanspruchung

Ein makroskopischer Ermdungsriss wchst immer in der Rissffnungsmode, d.h. senkrecht zur grten Hauptspannung.



Der Beanspruchungszustand an einer Ermdungsrissspitze weist zwei wesentliche Unterschiede gegenber dem unter monotoner Belastung auf: 1. Am entlasteten Ermdungsriss liegt aufgrund der vorangegangenen rtlichen

plastischen Verformung ein Eigenspannungszustand vor, der durch Druckeigenspannungen unmittelbar vor der Rissspitze gekennzeichnet ist.

2. Das Schlieen des Risses bei Ent- bzw. Druckbelastung fhrt dazu, dass nur die Belastungsnderungen oberhalb der Rissschliespannung vor der Rissspitze wirksam werden. Fr einen mathematisch scharfen Riss in einem elastischen Festkrper verschwindet die Spannungsberhhung an der Rissspitze beim Nulldurchgang der Belastung. In realen Werkstoffen tritt ein Rissschlieen bereits bei positiven Nennbelastungen (Rissschlieeffekt) auf. Ursachen hierfr sind Bruchflchenrauhigkeiten, Oxidationsprodukte und Restverformungen im Rissspalt, die durch vorangegangene Belastungsbedingungen geprgt sind.

Beide Erscheinungen bewirken, dass 1. auch bei reiner Zugschwellbelastung der Probe der Rissspitzenbereich eine Zug-Druck-

Wechselverformung erfhrt (rtl. Mittelspannungsverschiebung durch Eigenspannungen),

2. die an der Rissspitze wirksame, effektive Schwingbreite des SIF gegenber der aus den Nennbeanspruchungen berechneten gemindert ist,

3. das Risswachstumsverhalten von vorangegangenen Beanspruchungszustnden beeinflusst wird (Gedchtniseffekt des Risses).

Kinetik der Ermdungsrissausbreitung (ERA) Die zyklischer Beanspruchung des Materials an der Rissspitze ist durch die Schwingbreite des Spannungsintensittsfaktors (SIF) K gegeben. Diese hngt von der zyklischen Nennbeanspruchung =2a und der momentanen Risslnge a sowie von Geometrie der Rissfront (Q)und des Bauteils (Y) ab. ( )WaYQaK = / Bei konstanter Nennspannungsschwingbreite breitet sich ein einmal gebildeter Riss mit zunehmender Geschwindigkeit aus, da K mit zunehmender Risslnge stndig grer wird. Die Kinetik der ERA, d.h. die Abhngigkeit des Rissfortschritts pro Schwingspiel von der Schwingbreite des SIF, zeigt in doppeltlogarithmischer Darstellung drei charakteristische Bereiche Bereich A: extrem langsame ERA, Schwellwert KS, unterhalb dessen ist keine

Makrorissausbreitung mglich (= bruchmechanische Dauerfestigkeit)

Bereich B: quasistationre Rissausbreitung Linearer Bereich, ERA entspricht der empirischen Paris-Gl.:

Bereich C: Rissbeschleunigung bei Annherung von K an den Grenzwert KC. Dieser ist nherungsweise erreicht, wenn Kmax = KIC (Bruchzhigkeit). Durch Integration der Paris-Gleichung kann die Rissausbreitungslebensdauer bzw. der Rissfortschritt in einem vorgegebenen Inspektionszeitraum berechnet werden. Die Integration zwischen einer (z.B. durch die Nachweisgrenze der zfP gegebenen) Anfangsrissgre ai und einer fr den Restbruch aus der Bruchzhigkeit berechneten oder aus einem Schadensfall entnommenen Rissgre af liefert die Rissausbreitungslebensdauer NRA ()-m. Aus der Gre der Restbruchflche kann auf die Hhe der zyklischen Belastung geschlossen werden. Eine kleine Restbruchflche deutet auf eine niedrige Oberlast hin, eine groe umgekehrt auf eine hohe Oberlast.

da/dN=CKm



Lebensdauerberechnung mit der Paris-Gleichung (Annahme Y, Q f(a)) fr m 2 ( )N

Qm CY a aRA

m

m m m mf

m=

/

/ ( )/ ( )/( )

2

20

2 2 2 221 1

fr m = 2 ( )NQ

CYaaRAf=

2 2 0 ln

Einflussfaktoren auf die Ermdungsrisskinetik Einfluss der Werkstoffstruktur / des Werkstoffzustandes Der Schwellwert ist insbesondere bei hherer Mittellast mikrostrukturunempfindlich. Im Bereich B ist das Rissausbreitungsverhalten weitgehend

mikrostrukturunempfindlich. Der Rissfortschritt erfolgt durch irreversible zyklische Rissabstumpfung und Verschrfung in der Be- und Entlastungsphase. In duktilen Werkstoffen und in bestimmten Bereichen der Paris-Gerade entstehen dadurch Schwingungsstreifen auf den Bruchflchen, die die rtliche Rissgeschwindigkeit und Rissausbreitungsrichtung erkennen lassen.

Der Grenzwert Kc(1-R)KIC (Bruchzhigkeit) wird wesentlich durch Fremdphasen (nichtmetallische Einschlsse), grobe Ausscheidungen (beralterung), Anreicherungen von Spurenelementen an inneren Grenzflchen (Korngrenzensegregationen), Kaltverformung ungnstig beeinflusst und nimmt generell mit zunehmender Werkstofffestigkeit ab.

Oberflchentechnische Manahmen zur Verbesserung der Schwingfestigkeit wirken sich naturgem vorrangig auf die Rissbildung, kaum jedoch auf die Rissausbreitungsphase aus.

Einfluss der Umgebungsbedingungen Gasfrmige und wssrige Umgebungen sowie erhhte Temperaturen knnen zu drastischen Beschleunigungen der Ermdung fhren. Lebensdauer und Rissgeschwindigkeit werden stark abhngig vom System Werkstoff-Belastungs-Umgebung. Der Einfluss ist insbesondere bei niedrigen Belastungsfrequenzen ausgeprgt und auch von der Wellenform der Belastung abhngig. Ursache ist die berlagerung der zyklusabhngigen Ermdungsvorgnge durch zeitabhngige Schdigungsprozesse (Diffusion, Transport, Grenzflchenreaktionen,..).

Bruchmechanik in der Schadensanalyse Seite 29


7. Bruchmechanik in der Schadensanalyse Festigkeit und Bruch glatter und gekerbter Proben Verschiebung der sprd-duktil bergangstemperatur ferritischer Sthle durch zunehmende Kerbschrfe, Spannungsmehrachsigkeit und Verformungs-geschwindigkeit Instabile Rissausbreitung vs. plastische Instabilitt (plastischer Kollaps)

Temperatur T

Temperatur T Temperatur T

Temperatur T

Beispiele fr hufig auftretende Schden Seite 30


8. Beispiele fr hufig auftretende Schden 8.1 Schden an Zahnrdern in Getrieben (DIN 3979, Juli 1979) Beanspruchungen an Zahnflanken / Flankenschden (a) Verschlei

Einlaufverschlei, Schleifverschlei (Lppen) Eingriffsstrungen (Schabemarken, Geometriemngel in Verzahnung / Achsen) Kratzer (Schmierstoffbestandteile), Riefen (lange Kratzer am Kopf) Fresser (Kalt-/ Warmfresser, bes. Kopf + Fu)

(b) Korrosion Chemische Korrosion / Rost (Schmierstoff !, pittingartig) Reibkorrosion (Stillstand mit Erschtterungen) Verzundern (fleckenartige Erhhungen) Ausglhungen, Heilaufen ( OF-Hrte, Anlauffarben)

(c) Erosion / Kavitation (hohe lgeschwindigkeit, Wasser im l) (d) Stromdurchgang ( Einbrandstellen) (e) Ermdungen

Einlaufgrbchen (treibendes Rad, unterhalb Wlzzylinder) Fortschreitende Grbchenbildung (Zahnfu Zahnbruch) Poren / Graufleckigkeit (Mischreibung) Abplatzer (< Hrtetiefe, Einsatzhrten, Schmierung) Abbltterungen (> Hrtetiefe, Hrtefehler Kern-OF, Schleifen !)

(f) Deformationen Eindrckungen Riffelbildung (schuppenartig, Belastung + Schmierung) Walz- / Stoverformung Warmflieen

Risse an Zhnen (vorher bzw. betriebsbedingt) (a) Materialungnzen (Schlacke, Schmiedefalten) (b) Hrterisse (c) Schleifrisse (d) Dauerbruchanrisse (zu schwache Auslegung, Bandagen !) Zahnbruch (a) Gewaltbruch mit unterschiedlichen Duktilbruchanteilen (b) Dauerbruch / Ermdungsbruch (Zahnfu, von OF ausgehend) Flankenbruch (a) Dauerbruch / Ermdungsbruch, von Einschlssen unterhalb der Einsatzzone

ausgehend)

Rechtsfolgen bei Schden Seite 31


9. Rechtsfolgen bei Schden 9.1 Allgemeines Qualittssicherung

verbessert Wettbewerbsfhigkeit und mindert das Risiko der Haftung fr mangel-/fehlerhafte Produkte

Qualitt bedeutet aus Kundensicht:

Erfllung der berechtigten Anforderungen und Erwartungen an

Gebrauchstauglichkeit und Sicherheitstauglichkeit der Produkte

Sachverhaltsklrung bei Qualittsproblemen: 1. Schadensverursacher: Hersteller von Rohstoff, Teil, Endprodukt Nutzer 2. Schaden und Schadensfolgen: Fehler und Schaden am Produkt selbst Folgeschden an anderen Sachen Personenschden Aufhebung oder Minderung der Erwerbsfhigkeit Schmerzen weitere Folgeschden Betriebsunterbrechung Aus- und Einbaukosten Umsatzausfall entgangener Gewinn Rckrufkosten Bonittsverlust 3. Sachverhaltsaufklrung wird durch sorgfltige Dokumentation erleichtert Kosteneinsparung bei Fehlersuche Verursacherfindung liegt im Unternehmensinteresse



Haftung fr fehlerhafte Produkte

Gesetzliche Haftung Vertragliche Haftung

( Vertragliche Haftung und gesetzliche Haftung knnen parallel bestehen )

an Vertrag gebunden bei Schden an Sachen oder Personen durch fehlerhafte Produkte

Verschuldungshaftung

gem 459 ff. BGB

Wandlung (Rcktritt) Minderung (des Kaufpreises) Nachlieferung / Neulieferung Nachbesserung (wenn vereinbart) Schadenersatz bei

- Fehlen zugesicherter Eigenschaften - arglistigem Verschweigen eines Mangels

Verschuldungsunabhngige Haftung

gem Produkthaftungsgesetz( seit 1.1.1990 )

gem 823 ff. BGB

Schadensersatz

Gewhrleistungshaftun

positive Forderungsverletzung



9.2 Gesetzliche Haftung Inhalt der Gesetzlichen Haftung Die gesetzliche Haftung tritt ein bei Lieferung fehlerhafter Produkte, die Schden an Sachen und/oder Personen verursachen. Sie bedeutet Haftung gegenber Dritten (ohne Vertragsbeziehung), wenn

Produktmangel einen Schaden an Sachen oder Personen verursacht hat und a) Verschulden des Produzenten vorliegt (Verschuldungshaftung infolge Nichterfllung von

Sorgfaltspflichten)

Gesetzliche Grundlage: 823 BGB b) kein Verschulden vorliegt, aber Personenschden oder Schden an Sachen fr den

privaten Gebrauch vorliegen Gesetzliche Grundlage: Produkthaftpflichtgesetz vom 1.1.1990

9.2.1 Verschuldungshaftung Inhalt der Verschuldungshaftung Wer schuldhaft fehlerhafte Produkte in Verkehr bringt, durch die Personen verletzt oder Sachen Dritter beschdigt werden, ist zum Schadensersatz verpflichtet

Verkehrssicherungspflicht: Stand von Wissenschaft und Technik (Forschung, Fertigung, Markt) sind in Organisation usw. bis zum Kundendienst zu erfllen.

Fehlerarten: Konstruktion, Fabrikation, Kontrolle, Instruktion (Gebrauchsanleitung), Produktbeobachtung (Rcklauf ber Schadensflle)

Beweislastumkehr, d.h. der Geschdigte muss nur die Ursache nachweisen, der Hersteller muss nachweisen, dass ihn keine Schuld trifft (sonst Haftung)

Dauer der Haftung 30 Jahre nach Kenntnis des Schadens und des Schdigers innerhalb von 3 Jahren Haftungsausschlsse Hersteller hat das Produkt nicht in Verkehr gebracht Fehler ist erst nach Auslieferung aufgetreten Produkt wurde nicht fr die wirtschaftliche Verwendung hergestellt Fehler beruht darauf, dass zwingende Rechtsvorschriften eingehalten wurden Fehler konnte nach Stand von Wissenschaft und Technik zum Zeitpunkt des Inverkehrbringens nicht erkannt werden (Entwicklungsrisiko)

Der Weiterverarbeiter macht den urschlichen Fehler



9.2.2 Verschuldensunabhngige Haftung Inhalt der verschuldensunabhngigen Haftung Haftung fr Schden an Sachen oder Personen, die durch Fehler des Produktes verursacht sind.

Fehler des Produktes und dessen reproduzierbare Urschlichkeit fr den Schaden mssen eindeutig (ingenieurmig) nachgewiesen werden. Gegenstand der Haftung Haftung fr Schden durch Tod und Verletzung der Gesundheit Haftung fr Sachschden ist beschrnkt auf Produkte fr den privaten Ge- oder Verbrauch (bei Produkten fr kommerziellen Gebrauch gilt die konventionelle Produkthaftung nach BGB) Umfang der Haftung bei Tod: Kosten fr versuchte Heilbehandlung und Beerdigung sowie Vermgensschden fr Unterhaltspflichtige bei Krperverletzung: Kosten fr Heilung und Vermgensnachteil (aber kein Schmerzensgeld nach diesem Gesetz) bei Personen-Serienschden: Haftungshhe ist auf 160 Mio. DM begrenzt bei Sachschden: nur bei Schden durch Produkte fr den privaten Ge-/ Verbrauch, sofern der Betrag 1.125,-DM bersteigt 9.3 Produkthaftpflichtgesetz (Hauptpunkte) 1(1): Wird durch einen Fehler eines Produktes ein Mensch gettet, an Krper oder Gesundheit verletzt oder eine Sache beschdigt, so ist der Hersteller verpflichtet, den daraus entstandenen Schaden zu ersetzen .....

2: Produkt ...... ist jede bewegliche Sache ...... sowie Elektrizitt, Ausnahmen: Erzeugnisse des Bodens, der Viehzucht, der Fischerei und Jagd

3: Produkt ist nur fehlerhaft, wenn die Sicherheit beeintrchtigt ist - nicht fehlerhaft, wenn die Gebrauchsfhigkeit eingeschrnkt ist.

4: Hersteller ist auch Teilhersteller und der Lieferant

12: Verjhrung der Ansprche nach 1: 3 Jahre nach Bekanntwerden des Schadens

13: Ansprche erlschen 10 Jahre, nachdem das Produkt in Verkehr gebracht wurde

14: Ein vertraglicher Haftungsausschluss ist nicht mglich.

Praktikum und Seminar Fraktografie Seite 35


10. Praktikum und Seminar "Fraktografie" Fr die Untersuchung stehen zur Verfgung: Bruchflchen von FeNi- Legierungen mit Sb-Dotierung nach Anlassbehandlungen Bruchflchen aus Schweinahtbereiche in hherfestem schweibaren Baustahl Bruchflchen von intermetallischen Fe3Al - Legierungen Querschliffe aus dem Rissspitzenbereich eines metastabilen austenitischen Stahles

Beispiel: Bruchflche nach KIC-Test, SENB-Probe (Material: Hherfester Baustahl Rp0,2 450 MPa)

Vor der Rasterelektronenmikroskopie steht der makrofraktografische Befund ! Bruchaufreiungen entlang von MnS-Einschlssen im Seigerungsgebiet des gewalzten Bleches Restbruch durch Aufbrechen der Probe nach dem Versuch Scherlippen an den seitlichen Probenrndern Duktiler Gewaltbruch (Wabenbruch) unter monotoner Belastung Rissabstumpfung ("Stretch-Zone") im bergang Anriss - Gewaltbruch Ermdungsbruch (Anriss) mit Reiboxidation bei Riss Ausbreitung nahe dem Schwellwert bei niedrigem Lastverhltnis Mehrfachrissbildung im Kerbgrund Kerbe (hier: mit elektroerosiver Fadensge eingebracht) Aufgabe: Kennzeichnen Sie die unterschiedlichen Bereiche der Bruchflche im Hinblick auf makroskopische Merkmale und vorherrschende Beanspruchungsbedingungen !

EinfhrungAllgemeinesBegriffeVersagensverhalten von BauteilenUrsachen vorkritischer Rissausbreitung

SchadensursachenDurchfhrung einer SchadensanalyseAblaufschema einer SchadensanalyseBeweissicherungKernstck: Bestimmung der Bruchart

Risse und BrcheBegriffe im Zusammenhang mit Rissen und BrchenEinteilung der Brche nach dominierender BeanspruchungBrche durch mechanische BeanspruchungGewaltbruchSchwingbruch (Ermdungsbruch)

Beurteilung von BrchenDokumentation einiger BruchartenZher Zug-Gewaltbruch mit SchublippenFrserfrmiger zher Zug-GewaltbruchZher Biege-GewaltbruchZher Torsions-GewaltbruchZher Druck-GewaltbruchSprder Zug-GewaltbruchSprder Biege-GewaltbruchSprder Torsions-GewaltbruchSchwingbruch mit sprdem RestgewaltbruchSchwingbruch mit zhem RestgewaltbruchFormen von Schwingbruchflchen und Restgewaltbrchen in AbhMakroskopische Brucherscheinungen an SchwingungsbrchenTorsionsschwingbrche (Wechselnde Torsion)

Anforderungen an Werkstoff und KonstruktionBeanspruchungsgerechte WerkstoffauswahlBauteilauslegung / Dimensionierungbertragbarkeit von WerkstoffkennwertenQualittssicherungVersagensvorgang bei zyklischer Belastung

Schadensursache WerkstoffermdungOrte der RissbildungRissbildungsmechanismenErmdungsrissausbreitung (ERA)

Bruchmechanik in der SchadensanalyseBeispiele fr hufig auftretende SchdenSchden an Zahnrdern in Getrieben (DIN 3979, Juli 1979)

Rechtsfolgen bei SchdenAllgemeinesGesetzliche HaftungVerschuldungshaftungVerschuldensunabhngige Haftung

Produkthaftpflichtgesetz (Hauptpunkte)

Praktikum und Seminar "Fraktografie"

schaden s analyse

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