Schadensanalyse-Navigator

Erkennungsmerkmale (Bruchfläche, Gefüge im Querschliff, REM)

• Die Bruchstelle zeigt große plastische Verformung wie Einschnürung oder Biegung. Ein Rundstab im Zugversuch ergibt einen Teller-Tassen-Bruch mit Scherlippen, die am Rand um etwa 45° geneigt sind.
• Im Rasterelektronenmikroskop (REM) ist die Bruchfläche ganz mit kleinen Grübchen, den Waben, bedeckt. Zug erzeugt runde, gleichachsige Waben, Schub in einer Richtung gestreckte Waben.

Prüfungen zur Bestätigung

• Messen Sie Abmessungen und Härte des gebrochenen Bauteils und vergleichen Sie die aufgebrachte Last mit der Festigkeit des Bauteils (Zugfestigkeit oder 0,2-%-Dehngrenze).
• Führen Sie an Werkstoff derselben Charge Zug- und Härteprüfungen durch, um zu bestätigen, dass die vorgeschriebene Festigkeit erreicht war (keine Werkstoffverwechslung, keine fehlerhafte Wärmebehandlung).
• Prüfen Sie mit einer Spannungsanalyse, ob eine in der Auslegung nicht vorgesehene Last gewirkt hat.

Häufige Verwechslungen

• Auch der Restbruch eines weit fortgeschrittenen Ermüdungsrisses ist duktil und zeigt Waben. Schließen Sie nicht allein aus dieser letzten Zone auf Überlast, sondern suchen Sie um die Ausgangsstelle nach Rastlinien oder Schwingstreifen.

Abhilfemaßnahmen

Werkstoff

Wählen Sie Werkstoff und Wärmebehandlung mit der erforderlichen Festigkeit und Duktilität.

Konstruktion

Sehen Sie eine Reserve gegenüber der größten zu erwartenden Last vor und vermeiden Sie Spannungskonzentrationen wie abrupte Querschnittsänderungen.

Umgebung und Betrieb

Überprüfen Sie die Nutzung des Bauteils und sehen Sie Schutzeinrichtungen vor, die Überlasten verhindern.

Fertigung und Instandhaltung

Verhindern Sie zu geringe Festigkeit durch Werkstoffverwechslung oder fehlerhafte Wärmebehandlung mit Eingangs- und Fertigungsprüfungen.

Merkmale, die für diese Schadensart Punkte bringen

Im REM überall Waben (kleine Grübchen) +3Groß (Einschnürung, Biegung oder Dehnung) +3Schlag oder plötzliche große Last +2Sofort, während der Fertigung oder bei der ersten großen Last +2Über lange Zeit langsam aufgebläht oder gedehnt +1Konstante Last (Eigengewicht, Innendruck, Schraubenvorspannung …) +1Üblicher unlegierter oder niedriglegierter Stahl +1Fast keine (die Bruchstücke passen genau zusammen) −3Kaum äußere Last (Eigenspannungen aus Schweißen, Biegen oder Einpressen) −3Keramik oder Glas −3Rastlinien (muschelartige Linien, die sich von der Ausgangsstelle ausbreiten) −2Flache, glänzende Facetten (Spaltbruch) oder Flusslinien −2Im REM Schwingstreifen (feine parallele Linien) −2Interkristalline Bruchfläche, auf der die Kornform zu erkennen ist −2Vor dem Bruch ging Werkstoff verloren (Wanddickenabnahme oder Verschleiß) −2Chevron-Muster (V-förmig) oder radiale Linien, die zur Ausgangsstelle zeigen −1Kein Riss, aber Kratzer, abgetragene Flächen oder übertragener Werkstoff des Gegenkörpers −1Gering −1Wechselnde Last (Schwingung, Rotation, schwankender Druck oder Lastwechsel) −1Tief (unter etwa 0 °C) −1Hochfester Stahl (vergütete hochfeste Schrauben, Federn …) −1Gummi oder Elastomer (Dichtungen, O-Ringe …) −1Jahre oder länger −1

Verwandte Begriffe: 0,2-%-Dehngrenze (Rp0,2) Kaltverfestigung

Übungsfragen:

1. Welche Zuordnung eines Merkmals der Bruchfläche im Rasterelektronenmikroskop zur Bruchart ist richtig?
2. In duktilen Metallen wie Stahl ist die für den Rissfortschritt nötige Energie (kritische Energiefreisetzungsrate G_c) um Größenordnungen größer als der aus der Oberflächenenergie abgeschätzte Wert 2γs (einige J/m²). Was ist der Hauptgrund?
3. Wie wird bei Werkstoffen ohne ausgeprägte Streckgrenze, etwa Aluminiumlegierungen, die 0,2-%-Dehngrenze richtig bestimmt?

Erkennungsmerkmale (Bruchfläche, Gefüge im Querschliff, REM)

• Die Bruchfläche ist eben und steht etwa senkrecht zur Last. Eine deutliche Verformung fehlt, und die Bruchstücke passen gut zusammen.
• Auf Bruchflächen von Blechen und Wänden erscheinen Chevron-Muster (V-förmig) oder radiale Linien; folgt man ihrer Richtung, gelangt man zur Ausgangsstelle.
• Im REM sind ebene Spaltflächen, an denen der Kristall entlang bestimmter Ebenen getrennt wurde, und Flusslinien zu sehen. Der Bruch kann auch den Korngrenzen folgen, etwa bei der Anlassversprödung, bei der Verunreinigungen an den Korngrenzen seigern.
• Bei Keramik und Glas bildet sich um die Ausgangsstelle eine glatte Zone, der Bruchspiegel; aus seiner Größe lässt sich die Bruchspannung abschätzen (ASTM C1678).

Prüfungen zur Bestätigung

• Bestimmen Sie mit dem Kerbschlagbiegeversuch nach Charpy die Kerbschlagarbeit bei Einsatztemperatur und die Übergangstemperatur vom duktilen zum spröden Verhalten.
• Messen Sie die Bruchzähigkeit K_IC und berechnen Sie aus der gefundenen Rissgröße und der Spannung K = Yσ√(πa), um zu prüfen, ob die Bruchbedingung erreicht war.
• Untersuchen Sie Gefüge und chemische Zusammensetzung auf zähigkeitsmindernde Faktoren: grobes Korn, an Korngrenzen geseigerte Verunreinigungen oder Aufhärtung in der Wärmeeinflusszone einer Schweißnaht.

Häufige Verwechslungen

• Auch wenn der Restbruch spröde ist, kann an der Ausgangsstelle ein kleiner Riss aus Ermüdung oder Spannungsrisskorrosion liegen, der lediglich die kritische Größe erreicht hat (wie beim Einsturz der Silver Bridge). Untersuchen Sie die Ausgangsstelle bei hoher Vergrößerung.
• Ferritische Stähle (kubisch-raumzentriert) verspröden bei tiefer Temperatur sprunghaft, Aluminium-, Kupfer- und Nickellegierungen sowie austenitische nichtrostende Stähle (kubisch-flächenzentriert) zeigen dagegen keinen ausgeprägten Übergang.

Abhilfemaßnahmen

Werkstoff

Wählen Sie einen Stahl mit ausreichender Zähigkeit (Kerbschlagarbeit, Bruchzähigkeit) bei Einsatztemperatur und sorgen Sie für feines Korn.

Konstruktion

Vermeiden Sie Kerben und abrupte Querschnittsänderungen und legen Sie so aus, dass das ganze Bauteil fließt, bevor ein Riss zum Bruch führt (Fließen vor Bruch).

Umgebung und Betrieb

Vermeiden Sie Schlagbeanspruchung unterhalb der Übergangstemperatur vom duktilen zum spröden Verhalten.

Fertigung und Instandhaltung

Prüfen Sie Schweißnähte auf Fehler und Aufhärtung und steuern Sie die Schweißbedingungen so, dass keine Wärmeeinflusszone geringer Zähigkeit entsteht.

Merkmale, die für diese Schadensart Punkte bringen

Chevron-Muster (V-förmig) oder radiale Linien, die zur Ausgangsstelle zeigen +3Flache, glänzende Facetten (Spaltbruch) oder Flusslinien +3Schlag oder plötzliche große Last +3Tief (unter etwa 0 °C) +3Keramik oder Glas +3Fast keine (die Bruchstücke passen genau zusammen) +2Üblicher unlegierter oder niedriglegierter Stahl +2Sofort, während der Fertigung oder bei der ersten großen Last +2Interkristalline Bruchfläche, auf der die Kornform zu erkennen ist +1Hochfester Stahl (vergütete hochfeste Schrauben, Federn …) +1Groß (Einschnürung, Biegung oder Dehnung) −3Austenitischer nichtrostender Stahl −3Aluminiumlegierung −3Kupferlegierung (Messing …) −3Im REM überall Waben (kleine Grübchen) −2Im REM Schwingstreifen (feine parallele Linien) −2Vor dem Bruch ging Werkstoff verloren (Wanddickenabnahme oder Verschleiß) −2Hoch (über etwa 0,4 der absoluten Schmelztemperatur; bei Stahl etwa ab 450 °C) −2Warmfeste Legierung (Nickelbasis-Superlegierung …) −2Gummi oder Elastomer (Dichtungen, O-Ringe …) −2Rastlinien (muschelartige Linien, die sich von der Ausgangsstelle ausbreiten) −1Kein Riss, aber Kratzer, abgetragene Flächen oder übertragener Werkstoff des Gegenkörpers −1Kaum äußere Last (Eigenspannungen aus Schweißen, Biegen oder Einpressen) −1Mittel (etwa 60–300 °C; Heißwasser- oder Dampfleitungen) −1Kunststoff −1

Verwandte Begriffe: Bruchzähigkeit Spannungsintensitätsfaktor Griffith-Theorie Fließen vor Bruch Wärmeeinflusszone

Übungsfragen:

1. Welcher Werkstoff zeigt bei tiefen Temperaturen einen deutlichen Übergang vom zähen zum spröden Verhalten (Zäh-Spröd-Übergang)?
2. Ein Stahlblech mit der Bruchzähigkeit K_IC = 50 MPa·√m wird mit einer Zugspannung von 200 MPa belastet. Mit K = Yσ√(πa) und dem Geometriefaktor Y = 1,0: Welcher Wert kommt der kritischen Risslänge a, bei der Bruch eintritt, am nächsten?
3. Misst man die Bruchzähigkeit an Blechen aus demselben Werkstoff, aber mit unterschiedlicher Dicke: Wie verhält sich die scheinbare Bruchzähigkeit K_c mit zunehmender Blechdicke?
4. Die theoretische Festigkeit eines perfekten Kristalls wird auf etwa ein Zehntel des Elastizitätsmoduls geschätzt, doch die tatsächliche Bruchfestigkeit spröder Werkstoffe wie Glas ist oft um einen Faktor von einigen Zehn bis einigen Hundert kleiner. Was ist der Hauptgrund?

Fallstudien: Silver Bridge (1967): Sprödbruch aus einem kleinen Riss im Augenstab

Erkennungsmerkmale (Bruchfläche, Gefüge im Querschliff, REM)

• Mit bloßem Auge sind Rastlinien (muschelartige Linien) zu sehen, die sich von der Ausgangsstelle ausbreiten. Sie markieren Betriebsunterbrechungen und Laständerungen.
• Gibt es mehrere Ausgangsstellen, liegen zwischen ihnen Ratchet Marks (Stufen am Rand).
• Die Zone des Rissfortschritts ist glatt, hat keine Scherlippe und kann verfärbt sein. Der Restbruch ist rau.
• Im REM sind Schwingstreifen zu sehen, von denen jeder etwa den Rissfortschritt eines Lastwechsels markiert. In Aluminiumlegierungen sind sie deutlich, in hochfesten Stählen oft undeutlich.
• Die Ausgangsstellen liegen häufig dort, wo sich Spannungen konzentrieren: an Kratzern und Kerben der Oberfläche, an Schweißnahtübergängen und an Einschlüssen.

Prüfungen zur Bestätigung

• Halten Sie unter dem Stereomikroskop Lage und Größe von Ausgangsstelle, Rastlinien und Restbruch fest und suchen Sie im REM nach Schwingstreifen.
• Schätzen Sie aus dem Abstand der Schwingstreifen die Rissfortschrittsrate und die Schwingbreite des Spannungsintensitätsfaktors ΔK ab und schließen Sie daraus auf die wirkende Spannung zurück.
• Messen Sie an der Ausgangsstelle Rauheit, Härte und Eigenspannungen (mit Röntgenbeugung).
• Schätzen Sie Höhe und Anzahl der Spannungsspiele durch Lastmessungen oder Schwingungsanalysen ab.

Häufige Verwechslungen

• Fehlende Schwingstreifen schließen Ermüdung nicht aus. Wo der Riss langsam gewachsen ist, sind sie schwer zu erkennen, und Reiben der Bruchflächen aneinander oder Korrosion kann sie auslöschen.
• Spannungsrisskorrosion kann ähnlich aussehen wie Ermüdung. Entscheiden Sie danach, ob die Last wechselnd war und ob ein bestimmtes korrosives Medium vorlag.
• Schließen Sie nicht allein aus Waben oder Spaltflächen im Restbruch auf Überlast oder Sprödbruch.

Abhilfemaßnahmen

Werkstoff

Wählen Sie Werkstoffe mit hoher Schwingfestigkeit, etwa Stähle mit hohem Reinheitsgrad und wenigen Einschlüssen.

Konstruktion

Verringern Sie Spannungskonzentrationen durch Kerben und abrupte Querschnittsänderungen und senken Sie Spannungsamplitude und Zugmittelspannung (Bewertung mit dem modifizierten Goodman-Diagramm).

Umgebung und Betrieb

Korrosion senkt die Schwingfestigkeit; schützen Sie das Bauteil deshalb vor Korrosion.

Fertigung und Instandhaltung

Bringen Sie durch Kugelstrahlen, Aufkohlen oder Nitrieren Druckeigenspannungen in die Oberfläche ein, verringern Sie Oberflächenbeschädigungen und gestalten Sie Schweißnahtübergänge günstiger.

Merkmale, die für diese Schadensart Punkte bringen

Rastlinien (muschelartige Linien, die sich von der Ausgangsstelle ausbreiten) +3Im REM Schwingstreifen (feine parallele Linien) +3Wechselnde Last (Schwingung, Rotation, schwankender Druck oder Lastwechsel) +3Ratchet Marks (Stufen am Rand der Bruchfläche; mehrere Ausgangsstellen) +2Fast keine (die Bruchstücke passen genau zusammen) +2Gering +1Wiederholtes Erwärmen und Abkühlen (An- und Abfahren, Abschrecken) +1Hochfester Stahl (vergütete hochfeste Schrauben, Federn …) +1Üblicher unlegierter oder niedriglegierter Stahl +1Aluminiumlegierung +1Stunden bis Monate +1Jahre oder länger +1Konstante Last (Eigengewicht, Innendruck, Schraubenvorspannung …) −3Vor dem Bruch ging Werkstoff verloren (Wanddickenabnahme oder Verschleiß) −2Schlag oder plötzliche große Last −2Kaum äußere Last (Eigenspannungen aus Schweißen, Biegen oder Einpressen) −2Interkristalline Bruchfläche, auf der die Kornform zu erkennen ist −1Im Querschliff feine, verzweigte Risse −1Groß (Einschnürung, Biegung oder Dehnung) −1Keramik oder Glas −1Sofort, während der Fertigung oder bei der ersten großen Last −1

Verwandte Begriffe: Dauerfestigkeit Schwingstreifen Paris-Gesetz Miner-Regel Modifiziertes Goodman-Diagramm Kerbformzahl (Formzahl)

Übungsfragen:

1. Die Bruchfläche eines durch Ermüdung gebrochenen Bauteils zeigt mit bloßem Auge sichtbare muschelartige Linien (Rastlinien) und im Elektronenmikroskop sichtbare feine Streifen (Schwingstreifen). Welche Aussage darüber trifft zu?
2. Welche Aussage über die Entstehung von Ermüdungsrissen trifft zu, wenn auf einen metallischen Werkstoff mit glatter Oberfläche wiederholt eine Spannungsamplitude unterhalb der Streckgrenze aufgebracht wird?
3. Von welcher Oberflächenbehandlung kann man eine höhere Ermüdungsfestigkeit eines Stahlbauteils erwarten?
4. Welche Aussage über die Kurve der Ermüdungsrisswachstumsgeschwindigkeit da/dN über der Schwingbreite des Spannungsintensitätsfaktors ΔK im doppeltlogarithmischen Diagramm trifft zu?
5. Welche Aussage über die Wöhlerkurve (S-N-Kurve) bei Ermüdung trifft zu?

Fallstudien: Aloha-Flug 243 (1988): Ermüdung und Korrosion an Überlappungsstößen

Erkennungsmerkmale (Bruchfläche, Gefüge im Querschliff, REM)

• Wie bei der Ermüdung erscheinen Rastlinien und Ratchet Marks, an der Ausgangsstelle finden sich Korrosionsgrübchen oder Korrosionsprodukte.
• Von Korrosionsgrübchen können viele kleine Risse ausgehen, die sich zu einem größeren Riss vereinigen.
• Die Bruchfläche kann mit Korrosionsprodukten bedeckt sein, die die Schwingstreifen verdecken, oder spröde Schwingstreifen zeigen: Linien auf ebenen Facetten.

Prüfungen zur Bestätigung

• Analysieren Sie die Korrosionsprodukte an der Ausgangsstelle und auf der Bruchfläche (etwa mit EDX) auf Bestandteile des Mediums wie Chlorid.
• Führen Sie Ermüdungsversuche im tatsächlichen Medium durch. In Meerwasser und ähnlichen Medien kann die Lebensdauer bei niedrigerer Lastwechselfrequenz stark abnehmen; prüfen Sie daher mit praxisnahen Frequenzen.

Häufige Verwechslungen

• In korrosiver Umgebung gibt es keine ausgeprägte Dauerfestigkeit mehr; auch ein Bauteil, das unterhalb seiner Dauerfestigkeit an Luft ausgelegt ist, kann daher versagen.
• Spannungsrisskorrosion kann unter konstanter Last fortschreiten, Schwingungsrisskorrosion dagegen braucht wechselnde Last. Unterscheiden Sie beide über die Art der Belastung.

Abhilfemaßnahmen

Werkstoff

Wählen Sie einen Werkstoff, der in diesem Medium gut korrosionsbeständig ist, oder verwenden Sie eine schützende Beschichtung.

Konstruktion

Vermeiden Sie Spalte und Taschen, in denen sich Wasser sammelt, und senken Sie die Spannungsamplitude.

Umgebung und Betrieb

Begrenzen Sie die Korrosion durch Anstrich, metallische Überzüge, kathodischen Korrosionsschutz oder Überwachung der Wasserchemie.

Fertigung und Instandhaltung

Bringen Sie durch Kugelstrahlen Druckeigenspannungen in die Oberfläche ein und stellen Sie durch Prüfungen sicher, dass Beschichtungen unbeschädigt sind.

Merkmale, die für diese Schadensart Punkte bringen

Wechselnde Last (Schwingung, Rotation, schwankender Druck oder Lastwechsel) +3Rastlinien (muschelartige Linien, die sich von der Ausgangsstelle ausbreiten) +2Ratchet Marks (Stufen am Rand der Bruchfläche; mehrere Ausgangsstellen) +2Im REM Schwingstreifen (feine parallele Linien) +2Korrosionsgrübchen (Lochfraß) oder Korrosionsprodukte an der Ausgangsstelle +2Wasser, Feuchtigkeit oder Kondenswasser +2Chloride (Meerwasser, Salz, Streusalz) +2Jahre oder länger +2Wechselnde Last × Chloride +2Viele netzartig angeordnete Oberflächenrisse, mit Oxid gefüllt +1Gering +1Fast keine (die Bruchstücke passen genau zusammen) +1Üblicher unlegierter oder niedriglegierter Stahl +1Aluminiumlegierung +1Wechselnde Last × Wasser oder Feuchtigkeit +1Konstante Last (Eigengewicht, Innendruck, Schraubenvorspannung …) −3Kunststoff −3Gummi oder Elastomer (Dichtungen, O-Ringe …) −3Trockene Luft −2Keramik oder Glas −2Sofort, während der Fertigung oder bei der ersten großen Last −2

Verwandte Begriffe: Dauerfestigkeit Lochkorrosion Schwingstreifen

Übungsfragen:

1. SUS304 (japanische Norm JIS) wird in chloridreichem Meerwasser eingesetzt. Welche Kombination aus der dabei wahrscheinlichen örtlichen Korrosion und einer Gegenmaßnahme trifft zu?
2. Welche Aussage über die Wöhlerkurve (S-N-Kurve) bei Ermüdung trifft zu?
3. Die Bruchfläche eines durch Ermüdung gebrochenen Bauteils zeigt mit bloßem Auge sichtbare muschelartige Linien (Rastlinien) und im Elektronenmikroskop sichtbare feine Streifen (Schwingstreifen). Welche Aussage darüber trifft zu?

Fallstudien: Aloha-Flug 243 (1988): Ermüdung und Korrosion an Überlappungsstößen

Erkennungsmerkmale (Bruchfläche, Gefüge im Querschliff, REM)

• Feine Risse wachsen verzweigt. Von außen ist kaum Korrosion zu sehen, und an der Oberfläche zeigt sich nur ein kleiner Riss; der Schaden ist daher schwer zu finden.
• Chloridinduzierte Risse in austenitischem nichtrostendem Stahl verlaufen meist durch die Körner (transkristallin), Season Cracking von Messing in Ammoniak und Risse in sensibilisiertem nichtrostendem Stahl dagegen meist entlang der Korngrenzen (interkristallin); der Rissverlauf ist also ein Merkmal.
• An der Bruchstelle gibt es keine große Verformung, und Risse oder Bruchfläche können durch Korrosionsprodukte verfärbt sein.

Prüfungen zur Bestätigung

• Schleifen, polieren und ätzen Sie einen Querschliff und prüfen Sie im Lichtmikroskop, ob die Risse verzweigt sind und ob sie trans- oder interkristallin verlaufen.
• Prüfen Sie die Anfälligkeit im Medium mit U-Bügel-Proben, Versuchen unter konstanter Last oder Langsamzugversuchen (SSRT). Austenitische nichtrostende Stähle werden häufig in siedender 42-prozentiger Magnesiumchloridlösung geprüft.
• Messen Sie Zugeigenspannungen aus Schweißen oder Biegen mit Röntgenbeugung.

Häufige Verwechslungen

• Sie kann ähnlich aussehen wie Ermüdung. Unterscheiden Sie danach, ob die Last wechselnd war und ob ein bestimmtes Medium vorlag.
• Interkristalline Brüche durch Wasserstoffversprödung, Flüssigmetallversprödung und Kriechen sehen ähnlich aus.
• Wird die Rissbildung durch bei der Korrosion entstehenden Wasserstoff angetrieben, kann kathodischer Korrosionsschutz sie sogar verstärken; die Abhilfe ist dann umgekehrt wie bei Rissen, die durch Auflösung des Metalls wachsen.

Abhilfemaßnahmen

Werkstoff

Möglich sind ein Wechsel zu Stahlsorten mit höherem Nickelgehalt oder zu Duplexstählen oder eine rissbeständige Wärmebehandlung, etwa der überalterte Zustand T73 der Aluminiumlegierung 7075.

Konstruktion

Verringern Sie Zugeigenspannungen und Spannungskonzentrationen und vermeiden Sie Spalte und Taschen, in denen sich Chlorid anreichern kann.

Umgebung und Betrieb

Senken Sie Chloridgehalt und gelösten Sauerstoff, verringern Sie die Temperatur und setzen Sie Inhibitoren ein. Chloridinduzierte Risse in austenitischem nichtrostendem Stahl gelten oberhalb von etwa 60 °C als wahrscheinlich.

Fertigung und Instandhaltung

Senken Sie Zugeigenspannungen durch Spannungsarmglühen oder Kugelstrahlen. Spannungsarmglühen ist bei unlegiertem Stahl weit verbreitet, bei austenitischem nichtrostendem Stahl aber oft wenig wirksam.

Merkmale, die für diese Schadensart Punkte bringen

Im Querschliff feine, verzweigte Risse +3Kaum äußere Last (Eigenspannungen aus Schweißen, Biegen oder Einpressen) +3Starke Laugen oder Ammoniak +3Chloride × austenitischer nichtrostender Stahl +3Ammoniak oder Lauge × Kupferlegierung (Season Cracking) +3Interkristalline Bruchfläche, auf der die Kornform zu erkennen ist +2Fast keine (die Bruchstücke passen genau zusammen) +2Konstante Last (Eigengewicht, Innendruck, Schraubenvorspannung …) +2Mittel (etwa 60–300 °C; Heißwasser- oder Dampfleitungen) +2Chloride (Meerwasser, Salz, Streusalz) +2Austenitischer nichtrostender Stahl +2Kupferlegierung (Messing …) +2Starke Lauge × unlegierter Stahl (Laugensprödigkeit) +2Korrosionsgrübchen (Lochfraß) oder Korrosionsprodukte an der Ausgangsstelle +1Wasser, Feuchtigkeit oder Kondenswasser +1Wasserstoffquellen (Beizen, galvanisches Beschichten, Schweißen, kathodischer Korrosionsschutz, Wasserstoffgas) +1Hochfester Stahl (vergütete hochfeste Schrauben, Federn …) +1Aluminiumlegierung +1Stunden bis Monate +1Jahre oder länger +1Kunststoff −3Gummi oder Elastomer (Dichtungen, O-Ringe …) −3Groß (Einschnürung, Biegung oder Dehnung) −2Trockene Luft −2Im REM überall Waben (kleine Grübchen) −1Wechselnde Last (Schwingung, Rotation, schwankender Druck oder Lastwechsel) −1Schlag oder plötzliche große Last −1Tief (unter etwa 0 °C) −1Hoch (über etwa 0,4 der absoluten Schmelztemperatur; bei Stahl etwa ab 450 °C) −1Keramik oder Glas −1Sofort, während der Fertigung oder bei der ersten großen Last −1

Verwandte Begriffe: Spannungsrisskorrosion Sensibilisierung Lochkorrosion Nichtrostender Stahl Messing Passivität

Übungsfragen:

1. Welche Aussage über die Spannungsrisskorrosion trifft zu?
2. SUS304 (japanische Norm JIS) wird in chloridreichem Meerwasser eingesetzt. Welche Kombination aus der dabei wahrscheinlichen örtlichen Korrosion und einer Gegenmaßnahme trifft zu?
3. Beim Schweißen austenitischer nichtrostender Stähle wie SUS304 kann in der Wärmeeinflusszone etwas abseits der Schweißnaht interkristalline Korrosion auftreten (Kornzerfall, engl. weld decay). Welche Kombination aus Ursache und Gegenmaßnahme ist richtig?
4. Was ist der Hauptgrund dafür, dass nichtrostender Stahl an Luft und in Wasser kaum rostet?

Fallstudien: Silver Bridge (1967): Sprödbruch aus einem kleinen Riss im Augenstab

Erkennungsmerkmale (Bruchfläche, Gefüge im Querschliff, REM)

• An der Bruchstelle gibt es fast keine Verformung, und bei hochfestem Stahl verläuft der Bruch oft entlang der Korngrenzen.
• Das Bauteil bricht unter konstanter Last oder Schraubenvorspannung nach einiger Zeit plötzlich.
• An Schweißnähten können einige Zeit nach dem Schweißen Kaltrisse (wasserstoffinduzierte Risse) in der Wärmeeinflusszone auftreten.

Prüfungen zur Bestätigung

• Messen Sie Härte oder Festigkeit. Stähle mit einer Streckgrenze unter etwa 600 MPa gelten als wenig gefährdet, oberhalb von etwa 1000 MPa wird Wasserstoffversprödung leicht zu einem ernsten Problem.
• Untersuchen Sie die Fertigungsgeschichte (Beizen, galvanisches Beschichten, Schweißen) und Wasserstoffquellen im Betrieb (Korrosion, kathodischer Korrosionsschutz).
• Vergleichen Sie in Versuchen unter Dauerlast oder in Langsamzugversuchen mit Wasserstoff beladene und unbeladene Proben.

Häufige Verwechslungen

• Es gibt Überschneidungen mit der Spannungsrisskorrosion, doch Wasserstoffversprödung kann auch ohne korrosives Medium auftreten, durch Wasserstoff aus dem Galvanisieren oder Schweißen.
• Bei Rissen nach dem Feuerverzinken stehen sowohl Flüssigmetallversprödung als auch Wasserstoff im Verdacht; prüfen Sie daher beides.

Abhilfemaßnahmen

Werkstoff

Erhöhen Sie die Festigkeit (Härte) nicht mehr als nötig. In austenitischen Stählen diffundiert Wasserstoff langsam, sodass es viel länger dauert, bis sie verspröden.

Konstruktion

Überprüfen Sie Vorspannkräfte hochfester Schrauben und Spannungskonzentrationen, um anhaltende Zugspannungen zu senken.

Umgebung und Betrieb

Überwachen Sie das Potential des kathodischen Korrosionsschutzes, damit kein Überschutz Wasserstoff erzeugt.

Fertigung und Instandhaltung

Treiben Sie nach dem Beizen oder galvanischen Beschichten den Wasserstoff durch Tempern bei etwa 200 °C über einige Stunden aus. Beim Schweißen verlangsamen Vorwärmen und Nachwärmen die Abkühlung, damit Wasserstoff entweichen kann.

Merkmale, die für diese Schadensart Punkte bringen

Wasserstoffquellen (Beizen, galvanisches Beschichten, Schweißen, kathodischer Korrosionsschutz, Wasserstoffgas) +3Hochfester Stahl (vergütete hochfeste Schrauben, Federn …) +3Wasserstoffquelle × hochfester Stahl +3Interkristalline Bruchfläche, auf der die Kornform zu erkennen ist +2Fast keine (die Bruchstücke passen genau zusammen) +2Konstante Last (Eigengewicht, Innendruck, Schraubenvorspannung …) +2Kaum äußere Last (Eigenspannungen aus Schweißen, Biegen oder Einpressen) +2Stunden bis Monate +2Flache, glänzende Facetten (Spaltbruch) oder Flusslinien +1Im Querschliff feine, verzweigte Risse +1Etwa Raumtemperatur +1Wasser, Feuchtigkeit oder Kondenswasser +1Sofort, während der Fertigung oder bei der ersten großen Last +1Kunststoff −3Gummi oder Elastomer (Dichtungen, O-Ringe …) −3Keramik oder Glas −3Groß (Einschnürung, Biegung oder Dehnung) −2Im REM überall Waben (kleine Grübchen) −1Wechselnde Last (Schwingung, Rotation, schwankender Druck oder Lastwechsel) −1Austenitischer nichtrostender Stahl −1

Verwandte Begriffe: Wärmeeinflusszone Kohlenstoffäquivalent Spannungsrisskorrosion

Übungsfragen:

1. Beim Schweißen hochfester Stähle wird vorgewärmt, um Kaltrisse (wasserstoffinduzierte Risse) zu verhindern, die Minuten bis Tage nach dem Schweißen in der Wärmeeinflusszone und anderen Bereichen entstehen. Welche Aussage über die Wirkung des Vorwärmens trifft zu?
2. Als Richtwert für die Schweißeignung von Stahl wird das Kohlenstoffäquivalent Ceq = C + Mn/6 + (Cr + Mo + V)/5 + (Ni + Cu)/15 (in Massen-%) berechnet. Welcher Wert kommt dem Ceq eines Stahls mit 0,20 % C, 1,20 % Mn, 0,30 % Cr, 0,10 % Mo, 0 % V, 0,30 % Ni und 0,15 % Cu am nächsten?
3. Welche Aussage über die Spannungsrisskorrosion trifft zu?

Erkennungsmerkmale (Bruchfläche, Gefüge im Querschliff, REM)

• Querschliffe nahe dem Bruch zeigen viele Korngrenzenporen (Kavitäten) und keilförmige Risse, die von Korngrenzentripelpunkten ausgehen.
• An den Korngrenzen schreiten Kriechverformung und Schädigung am schnellsten fort, deshalb verlaufen die Risse oft entlang der Korngrenzen.
• Da Kriechen eine mit der Zeit zunehmende Verformung ist, kann es sich vor dem Bruch als Aufbauchen eines Rohres oder als Längung eines Bauteils zeigen.

Prüfungen zur Bestätigung

• Führen Sie Zeitstandversuche bei Einsatztemperatur und -spannung durch und schätzen Sie die Lebensdauer ab, indem Sie Temperatur und Zeit mit dem Larson-Miller-Parameter ineinander umrechnen.
• Ermitteln Sie aus den Betriebsaufzeichnungen die tatsächliche Metalltemperatur (gab es Überhitzung?) und schließen Sie auch aus Gefügeänderungen wie der Vergröberung von Ausscheidungen auf die Temperaturgeschichte.

Häufige Verwechslungen

• Ein interkristalliner Bruch allein ist schwer von Wasserstoffversprödung oder Spannungsrisskorrosion zu unterscheiden; Temperatur und Zeit sind daher die wichtigsten Merkmale.
• Schwankt auch die Temperatur, kommen thermische Ermüdung und das Zusammenwirken von Kriechen und Ermüdung (thermomechanische Ermüdung) in Betracht.
• Kunststoffe haben niedrige Schmelztemperaturen und können daher schon bei Raumtemperatur unter Langzeitlast kriechen, sich dehnen und schließlich reißen. Dieser Navigator behandelt hauptsächlich das Hochtemperaturkriechen von Metallen; hat sich ein Kunststoffteil jedoch über lange Zeit langsam gedehnt, ist an Kriechen zu denken.

Abhilfemaßnahmen

Werkstoff

Wählen Sie Werkstoffe mit hoher Warmfestigkeit wie Nickelbasis-Superlegierungen. Da Korngrenzen beim Kriechen eine Schwachstelle sind, lassen sich mit gerichtet erstarrten Stängelkristallen oder Einkristallen Korngrenzen senkrecht zur Spannung vermeiden.

Konstruktion

Senken Sie Einsatztemperatur und Spannung und sehen Sie mit dem Larson-Miller-Parameter oder ähnlichen Verfahren eine Lebensdauerreserve vor.

Umgebung und Betrieb

Verhindern Sie Überhitzung und senken Sie die Metalltemperatur, etwa mit Wärmedämmschichten.

Fertigung und Instandhaltung

Führen Sie Lösungsglühen und Auslagern korrekt durch, um das angestrebte Ausscheidungsgefüge zu erhalten.

Merkmale, die für diese Schadensart Punkte bringen

Im Querschliff nahe dem Bruch viele Poren oder keilförmige Risse an Korngrenzen +3Über lange Zeit langsam aufgebläht oder gedehnt +3Hoch (über etwa 0,4 der absoluten Schmelztemperatur; bei Stahl etwa ab 450 °C) +3Warmfeste Legierung (Nickelbasis-Superlegierung …) +3Kunststoff × langsame Dehnung über lange Zeit (Kunststoffe kriechen schon bei Raumtemperatur) +3Interkristalline Bruchfläche, auf der die Kornform zu erkennen ist +2Konstante Last (Eigengewicht, Innendruck, Schraubenvorspannung …) +2Jahre oder länger +2Gering +1Wiederholtes Erwärmen und Abkühlen (An- und Abfahren, Abschrecken) +1Heiße Gase (Verbrennungsgase, heiße Luft) +1Tief (unter etwa 0 °C) −3Schlag oder plötzliche große Last −2Etwa Raumtemperatur −2Sofort, während der Fertigung oder bei der ersten großen Last −2Wechselnde Last (Schwingung, Rotation, schwankender Druck oder Lastwechsel) −1Mittel (etwa 60–300 °C; Heißwasser- oder Dampfleitungen) −1Gummi oder Elastomer (Dichtungen, O-Ringe …) −1

Verwandte Begriffe: Kriechen Potenzgesetz-Kriechen Diffusionskriechen Larson-Miller-Parameter Nickelbasis-Superlegierung Verformungsmechanismuskarte

Übungsfragen:

1. Welche Aussage über die drei Stadien einer bei konstanter Last und Temperatur gemessenen Kriechkurve (Dehnung über der Zeit) trifft zu?
2. Bei Raumtemperatur erhöht eine Kornfeinung die Festigkeit (Hall-Petch-Beziehung), doch für Bauteile, die lange bei hoher Temperatur belastet werden, verwendet man häufig grobes Korn oder Einkristalle. Welche Begründung ist richtig?
3. Eine warmfeste Legierung erlitt unter einer bestimmten Spannung bei 1000 K nach 1000 h einen Kriechbruch. Der Larson-Miller-Parameter P = T(C + log₁₀t_r) (T: absolute Temperatur, t_r: Bruchzeit in h, C = 20) sei bei gleicher Spannung konstant. Welcher Wert kommt der Temperatur am nächsten, bei der unter derselben Spannung eine Bruchzeit von 10⁵ h erreicht wird?
4. Warum verwendet man für Turbinenschaufeln von Strahltriebwerken gerichtet erstarrte stängelkristalline oder einkristalline Nickelbasis-Superlegierungen?
5. Als Richtwert für die Temperatur, ab der das Kriechen nicht mehr vernachlässigt werden kann, gelte ca. das 0,4-Fache des Schmelzpunkts (als absolute Temperatur). Welcher Wert kommt diesem Richtwert bei Aluminium (Schmelzpunkt 660 °C) am nächsten?

Erkennungsmerkmale (Bruchfläche, Gefüge im Querschliff, REM)

• Auf der schroff abgekühlten Fläche bilden sich viele Risse, die ein netzartiges Muster (Brandrisse) ergeben.
• Die Risse sind breit, beginnen an der Oberfläche und sind oft mit Oxid aus der Hochtemperaturbeanspruchung gefüllt. Sie sind keilförmig und verlaufen durch die Körner.
• Risse folgen häufig Schweißnahtübergängen und Stellen, an denen sich die Wanddicke ändert.

Prüfungen zur Bestätigung

• Ermitteln Sie aus den Betriebsaufzeichnungen die Zahl der An- und Abfahrvorgänge und die Geschwindigkeit der Temperaturänderungen und schätzen Sie die Wärmespannung aus Unterschieden der Wärmedehnung und der Temperatur ab.
• Da die Risse meist zur Oberfläche offen sind, suchen Sie sie mit Magnetpulver- oder Eindringprüfung.

Häufige Verwechslungen

• Viele flache Risse werden leicht mit Korrosionsrissen verwechselt. Prüfen Sie, ob sie sich auf der schroff abgekühlten Fläche häufen und senkrecht zur Wärmespannung verlaufen.

Abhilfemaßnahmen

Werkstoff

Verringern Sie den Unterschied der Wärmeausdehnung zwischen verbundenen Werkstoffen und wählen Sie Werkstoffe mit geringer Wärmeausdehnung und guter Wärmeleitfähigkeit.

Konstruktion

Verwenden Sie nachgiebige Lagerungen, die Ausdehnung und Schrumpfung zulassen, und gestalten Sie Schweißnähte und Querschnittsänderungen mit sanften Übergängen.

Umgebung und Betrieb

Begrenzen Sie die Aufheiz- und Abkühlgeschwindigkeit beim An- und Abfahren und verhindern Sie, dass kaltes Wasser auf heiße Bauteile trifft.

Fertigung und Instandhaltung

Schleifen Sie Schweißnahtübergänge glatt, um die Spannungskonzentration zu verringern.

Merkmale, die für diese Schadensart Punkte bringen

Viele netzartig angeordnete Oberflächenrisse, mit Oxid gefüllt +3Wiederholtes Erwärmen und Abkühlen (An- und Abfahren, Abschrecken) +3Hoch (über etwa 0,4 der absoluten Schmelztemperatur; bei Stahl etwa ab 450 °C) +2Warmfeste Legierung (Nickelbasis-Superlegierung …) +2Rastlinien (muschelartige Linien, die sich von der Ausgangsstelle ausbreiten) +1Ratchet Marks (Stufen am Rand der Bruchfläche; mehrere Ausgangsstellen) +1Im REM Schwingstreifen (feine parallele Linien) +1Fast keine (die Bruchstücke passen genau zusammen) +1Heiße Gase (Verbrennungsgase, heiße Luft) +1Jahre oder länger +1Kunststoff −2Gummi oder Elastomer (Dichtungen, O-Ringe …) −2Konstante Last (Eigengewicht, Innendruck, Schraubenvorspannung …) −1Tief (unter etwa 0 °C) −1

Verwandte Begriffe: Wärmespannung Längenausdehnungskoeffizient Wärmedämmschicht

Übungsfragen:

1. Eine Aluminiumschicht (Elastizitätsmodul 70 GPa, Querkontraktionszahl 0,35, Längenausdehnungskoeffizient 23×10⁻⁶ K⁻¹) auf einem Siliziumsubstrat (Längenausdehnungskoeffizient 2,6×10⁻⁶ K⁻¹) wird vom spannungsfreien Zustand bei 125 °C auf 25 °C abgekühlt. Welche Richtung und Größe hat die in der Schicht entstehende Wärmespannung σ = EΔαΔT/(1 − ν), wenn das Substrat ausreichend dick ist?
2. Was ist die Hauptursache dafür, dass sich Festkörper beim Erwärmen ausdehnen (Wärmeausdehnung)?

Erkennungsmerkmale (Bruchfläche, Gefüge im Querschliff, REM)

• Das Bauteil reißt bei Kontakt mit dem geschmolzenen Metall fast ohne Verformung. Bei feuerverzinktem Stahl entstehen unter der Zinkschicht interkristalline Risse.
• Die Korngrenzen auf der Bruchfläche sind mit Zink oder einem anderen versprödenden Metall bedeckt.
• Bekannte Paarungen sind Aluminium mit Gallium oder Quecksilber, Stahl mit Zink, Kupfer oder Zinn und Kupferlegierungen mit Quecksilber.

Prüfungen zur Bestätigung

• Analysieren Sie Bruchfläche und Rissinneres mit REM und EDX oder ESMA, um das versprödende Metall nachzuweisen.
• Prüfen Sie am Querschliff, ob die Risse den Korngrenzen folgen und wie tief das Metall eingedrungen ist.
• Überprüfen Sie Verzinkungs- und Schweißbedingungen, Umformbedingungen, Eigenspannungen und die chemische Zusammensetzung des Stahls.

Häufige Verwechslungen

• Da der Bruch interkristallin ist, wird sie leicht mit Spannungsrisskorrosion oder Wasserstoffversprödung verwechselt. Prüfen Sie, ob das Bauteil mit geschmolzenem Metall in Berührung kam.
• Risse nach dem Verzinken oder Beschichten können auch durch vom Stahl aufgenommenen Wasserstoff entstehen; untersuchen Sie daher beides.

Abhilfemaßnahmen

Werkstoff

Achten Sie bei der Stahlauswahl auf Elemente wie Kupfer und Zinn, die an den Korngrenzen seigern und die Rissbildung fördern.

Konstruktion

Wählen Sie Formen, in denen sich Zugeigenspannungen aus Kaltbiegen oder Schweißen nicht konzentrieren.

Umgebung und Betrieb

Halten Sie geschmolzene Metalle wie Lot oder Quecksilber im Betrieb vom Bauteil fern.

Fertigung und Instandhaltung

Überwachen Sie Umformen und Schweißen vor dem Verzinken sowie die Bedingungen beim Verzinken selbst.

Merkmale, die für diese Schadensart Punkte bringen

Fremdmetall (Zink, Lot …) auf der Bruchfläche oder an den Korngrenzen +3Geschmolzenes Metall (Feuerverzinken, Weichlot, Hartlot, Quecksilber) +3Interkristalline Bruchfläche, auf der die Kornform zu erkennen ist +2Fast keine (die Bruchstücke passen genau zusammen) +2Kaum äußere Last (Eigenspannungen aus Schweißen, Biegen oder Einpressen) +2Sofort, während der Fertigung oder bei der ersten großen Last +2Konstante Last (Eigengewicht, Innendruck, Schraubenvorspannung …) +1Hoch (über etwa 0,4 der absoluten Schmelztemperatur; bei Stahl etwa ab 450 °C) +1Hochfester Stahl (vergütete hochfeste Schrauben, Federn …) +1Aluminiumlegierung +1Kupferlegierung (Messing …) +1Geschmolzenes Metall × während der Fertigung oder kurz nach Einsatzbeginn +1Kunststoff −3Gummi oder Elastomer (Dichtungen, O-Ringe …) −3Keramik oder Glas −3Groß (Einschnürung, Biegung oder Dehnung) −2Jahre oder länger −2

Verwandte Begriffe: REM (Rasterelektronenmikroskop) EDX (energiedispersive Röntgenspektroskopie)

Übungsfragen:

1. Welcher Vergleich von EDX (energiedispersiv) und WDX (wellenlängendispersiv) zur Analyse charakteristischer Röntgenstrahlung im REM und in der ESMA (Elektronenstrahl-Mikroanalyse) trifft zu?
2. Welche Aussage über Sekundärelektronen- und Rückstreuelektronenbilder im REM trifft zu?

Erkennungsmerkmale (Bruchfläche, Gefüge im Querschliff, REM)

• Schneiden harte Partikel oder Rauheitsspitzen in die Oberfläche (abrasiver Verschleiß), reihen sich Kratzer in Gleitrichtung auf.
• Verschweißen Metalle miteinander und werden die Verbindungen abgeschert (adhäsiver Verschleiß), wird Werkstoff auf den Gegenkörper übertragen oder aus der Oberfläche herausgerissen.
• Das Bauteil reißt nicht; seine Abmessungen nehmen ab.

Prüfungen zur Bestätigung

• Untersuchen Sie die verschlissenen Flächen auf die Richtung der Kratzer sowie Form und Zusammensetzung der Verschleißpartikel und vergleichen Sie die Oberflächenhärte mit der des Gegenkörpers und eingedrungener Fremdpartikel.
• Messen Sie das Verschleißvolumen im Stift-Scheibe-Versuch oder ähnlichen Versuchen und vergleichen Sie Werkstoffe und Bedingungen mit der Archard-Gleichung V = KWL/H.

Häufige Verwechslungen

• Ein durch Verschleiß geschwächter Querschnitt kann zuletzt reißen; prüfen Sie daher nicht nur den Riss, sondern auch, ob die Abmessungen schon vorher abgenommen hatten.
• Wanddickenabnahme von Rohrleitungen in strömenden Medien (Erosionskorrosion) ist ein anderer Mechanismus ohne Gegenkörper und erfordert andere Maßnahmen.

Abhilfemaßnahmen

Werkstoff

Machen Sie die Oberfläche mindestens so hart wie die abrasiven Partikel (Aufkohlen, Nitrieren, Hartstoffschichten …).

Konstruktion

Senken Sie Flächenpressung und Gleitgeschwindigkeit.

Umgebung und Betrieb

Verschieben Sie die Schmierung in Richtung Flüssigkeitsreibung (siehe Stribeck-Kurve) und halten Sie Sand und andere Verunreinigungen fern.

Fertigung und Instandhaltung

Überwachen Sie Rauheit und Oberflächengüte, damit Rauheitsspitzen den Schmierfilm seltener durchdringen.

Merkmale, die für diese Schadensart Punkte bringen

Kein Riss, aber Kratzer, abgetragene Flächen oder übertragener Werkstoff des Gegenkörpers +3Vor dem Bruch ging Werkstoff verloren (Wanddickenabnahme oder Verschleiß) +3Gleiten, Reiben oder Rollen gegen eine andere Fläche +3Innenfläche schuppen- oder orangenhautartig ausgewaschen und dünner geworden +1Schnelle Strömung, Tropfen oder partikelbeladene Strömung +1Gummi oder Elastomer (Dichtungen, O-Ringe …) +1Keramik oder Glas +1Jahre oder länger +1Sofort, während der Fertigung oder bei der ersten großen Last −1

Verwandte Begriffe: Archard-Gleichung Adhäsiver Verschleiß Abrasiver Verschleiß Stribeck-Kurve Aufkohlen Nitrieren

Übungsfragen:

1. Welcher der folgenden Verschleißmechanismen ist adhäsiver Verschleiß?
2. Bauteile von Baumaschinen werden durch Erdreich mit Quarzsandkörnern (Härte etwa 1000 HV) beansprucht. Welche Aussage über die Werkstoffwahl zur Verringerung des abrasiven Verschleißes trifft zu?
3. In einem Stift-Scheibe-Versuch wird ein Stift mit der Härte H = 2,0 GPa unter einer Normalkraft von 50 N über einen Gleitweg von 1,0 km bewegt. Welche Kombination aus dem Verschleißvolumen des Stifts und der Änderung des Verschleißvolumens bei verdoppelter Last ist richtig, wenn in der Archard-Gleichung V = KWL/H der dimensionslose Verschleißkoeffizient K = 1,0×10⁻⁴ beträgt?
4. Welche Aussage über die Stribeck-Kurve trifft zu, in der die Reibungszahl eines Gleitlagers über der Lagerkennzahl ηN/P aus Ölviskosität η, Drehzahl N und Flächenpressung P aufgetragen ist?

Erkennungsmerkmale (Bruchfläche, Gefüge im Querschliff, REM)

• Die Innenfläche ist schuppen- oder orangenhautartig ausgewaschen und örtlich dünner.
• Die Wanddicke nimmt dort ab, wo die Strömung gestört ist, etwa hinter Messblenden, Bögen und T-Stücken.
• Um die Bruchöffnung ist die Wand sehr dünn, und der geschwächte Bereich reißt unter dem Innendruck auf.

Prüfungen zur Bestätigung

• Messen Sie die Wanddicke mit einem Ultraschall-Dickenmessgerät und schätzen Sie aus der Änderung seit der letzten Messung die Abtragsrate und die Restlebensdauer ab.
• Analysieren Sie den Chromgehalt des Stahls (schon wenig Chrom verlangsamt den Abtrag).
• Überprüfen Sie die Wasserchemie (pH-Wert, gelöster Sauerstoff) sowie die Aufzeichnungen von Temperatur und Strömung. In einphasiger Wasserströmung soll der Abtrag bei etwa 140–160 °C am schnellsten sein.

Häufige Verwechslungen

• Der Abtrag ist örtlich begrenzt und lässt sich, anders als bei gleichmäßiger Flächenkorrosion, nicht aus einer mittleren Korrosionsrate vorhersagen.
• Auch Tropfenschlagerosion durch Tropfen im Dampf verringert die Wanddicke, tritt aber an anderen Stellen auf und erfordert andere Maßnahmen.

Abhilfemaßnahmen

Werkstoff

Ersetzen Sie den Werkstoff durch chromhaltigen niedriglegierten Stahl (Cr-Mo-Stahl mit mindestens 1,25 % Cr) oder nichtrostenden Stahl.

Konstruktion

Vermeiden Sie verwinkelte Geometrien, die die Strömung stören.

Umgebung und Betrieb

Halten Sie den pH-Wert schwach alkalisch und überwachen Sie den gelösten Sauerstoff.

Fertigung und Instandhaltung

Erfassen Sie lückenlos alle zu prüfenden Stellen und messen Sie die Wanddicke vorrangig dort, wo die Strömung gestört ist.

Merkmale, die für diese Schadensart Punkte bringen

Innenfläche schuppen- oder orangenhautartig ausgewaschen und dünner geworden +3Vor dem Bruch ging Werkstoff verloren (Wanddickenabnahme oder Verschleiß) +3Schnelle Strömung, Tropfen oder partikelbeladene Strömung +3Schnelle Strömung × unlegierter Stahl +3Mittel (etwa 60–300 °C; Heißwasser- oder Dampfleitungen) +2Jahre oder länger +2Kein Riss, aber Kratzer, abgetragene Flächen oder übertragener Werkstoff des Gegenkörpers +1Wasser, Feuchtigkeit oder Kondenswasser +1Üblicher unlegierter oder niedriglegierter Stahl +1Austenitischer nichtrostender Stahl −3Kunststoff −3Gummi oder Elastomer (Dichtungen, O-Ringe …) −3Keramik oder Glas −3Sofort, während der Fertigung oder bei der ersten großen Last −3Trockene Luft −2Hoch (über etwa 0,4 der absoluten Schmelztemperatur; bei Stahl etwa ab 450 °C) −1Aluminiumlegierung −1Kupferlegierung (Messing …) −1Warmfeste Legierung (Nickelbasis-Superlegierung …) −1

Verwandte Begriffe: Passivität Faradaysches Gesetz

Übungsfragen:

1. Die Korrosionsstromdichte von Eisen betrage auf der ganzen Oberfläche gleichmäßig 1,0 µA/cm². Welcher Wert kommt der Geschwindigkeit am nächsten, mit der die Oberfläche durch Korrosion zurückweicht? Eisen löse sich als Fe²⁺; molare Masse 55,85 g/mol, Dichte 7,87 g/cm³, Faraday-Konstante 96485 C/mol, 1 Jahr = 3,15×10⁷ s.
2. Was ist der Hauptgrund dafür, dass nichtrostender Stahl an Luft und in Wasser kaum rostet?

Fallstudien: Rohrbruch in Mihama Block 3 (2004): Wandabtrag hinter einer Messblende

Erkennungsmerkmale (Bruchfläche, Gefüge im Querschliff, REM)

• Eine Gummidichtung kann auch ohne Riss Spuren von Leckage durch den Spalt oder Wärmeschäden (Verkohlung, Erosion) zeigen.
• Ein Kunststoffteil kann unterhalb seiner Glasübergangstemperatur, wo seine Moleküle kaum noch beweglich sind, fast ohne Verformung brechen (Polypropylen hat zum Beispiel einen Glasübergang bei etwa −20 bis 0 °C).

Prüfungen zur Bestätigung

• Messen Sie bei Einsatztemperatur, wie schnell der Gummi nach dem Zusammendrücken in seine ursprüngliche Form zurückkehrt (elastische Rückstellung).
• Messen Sie die Glasübergangstemperatur und vergleichen Sie sie mit der tiefsten Einsatztemperatur.
• Prüfen Sie über den gesamten Einsatzbereich einschließlich der tiefsten Temperatur unter Bedingungen, die dem realen Bauteil möglichst nahekommen.

Häufige Verwechslungen

• Ein Dichtungsversagen hinterlässt weder Riss noch Bruchfläche und wird daher womöglich nicht als Werkstoffproblem erkannt.
• Die Eigenschaften von Polymeren hängen von Zeit und Temperatur ab: Eine Absenkung der Temperatur wirkt wie eine Messung über kürzere Zeit (schnellere Verformung). Schnellen Bewegungen zu folgen, wird bei tiefer Temperatur noch schwieriger.

Abhilfemaßnahmen

Werkstoff

Wählen Sie einen Werkstoff, dessen Glasübergangstemperatur deutlich unter der tiefsten Einsatztemperatur liegt.

Konstruktion

Legen Sie die Konstruktion unempfindlich gegen Schwankungen von Temperatur und Abmessungen aus, damit die Dichtung einem sich bewegenden Spalt folgen kann.

Umgebung und Betrieb

Halten Sie das Bauteil mit Heizungen warm oder legen Sie Temperaturgrenzen für Start oder Betrieb fest.

Fertigung und Instandhaltung

Qualifizieren Sie das Bauteil mit praxisnahen Prüfungen über den gesamten Einsatzbereich einschließlich tiefer Temperatur.

Merkmale, die für diese Schadensart Punkte bringen

Tief (unter etwa 0 °C) +3Gummi oder Elastomer (Dichtungen, O-Ringe …) +3Kunststoff +2Gummi oder Elastomer × tiefe Temperatur +2Kunststoff × tiefe Temperatur +2Feine Crazes (Fließzonen) oder Weißbruch in einem Kunststoff +1Fast keine (die Bruchstücke passen genau zusammen) +1Hoch (über etwa 0,4 der absoluten Schmelztemperatur; bei Stahl etwa ab 450 °C) −3Hochfester Stahl (vergütete hochfeste Schrauben, Federn …) −3Üblicher unlegierter oder niedriglegierter Stahl −3Austenitischer nichtrostender Stahl −3Aluminiumlegierung −3Kupferlegierung (Messing …) −3Warmfeste Legierung (Nickelbasis-Superlegierung …) −3Keramik oder Glas −3Mittel (etwa 60–300 °C; Heißwasser- oder Dampfleitungen) −2Groß (Einschnürung, Biegung oder Dehnung) −1Etwa Raumtemperatur −1

Verwandte Begriffe: Glasübergangstemperatur Viskoelastizität

Übungsfragen:

1. Welche Aussage über die Glasübergangstemperatur Tg und die Schmelztemperatur Tm teilkristalliner Polymere trifft zu?
2. Wie ändern sich die Glasübergangstemperatur Tg und die Werkstoffeigenschaften, wenn Polyvinylchlorid (PVC) ein Weichmacher zugesetzt wird?
3. Welche Aussage beschreibt den Grundgedanken der Zeit-Temperatur-Verschiebung (Zeit-Temperatur-Superpositionsprinzip) in der Viskoelastizität von Polymeren richtig?

Fallstudien: Challenger (1986): kalte O-Ringe, die sich zu langsam zurückstellten

Erkennungsmerkmale (Bruchfläche, Gefüge im Querschliff, REM)

• An Stellen hoher Spannung durch Biegen, Klemmen oder Einpressen entstehen mehrere feine Crazes oder Risse, von denen einer zum Bruch wächst.
• Der Bereich nahe dem Riss kann weißlich werden (Weißbruch).
• Der Kunststoff bricht spröde mit geringer Verformung.

Prüfungen zur Bestätigung

• Biegen und fixieren Sie eine Probe, bringen Sie die Flüssigkeit auf und halten Sie fest, nach welcher Zeit oder bei welcher Dehnung Risse oder Crazes auftreten (für Polyethylen gibt es Normen wie ASTM D1693).
• Bestimmen Sie Flüssigkeiten, Reinigungs- und Schmiermittel auf dem Bauteil, um seine Einsatzumgebung festzustellen.

Häufige Verwechslungen

• Sie kann auftreten, ohne dass der Kunststoff quillt oder sich löst; ziehen Sie sie daher auch in Betracht, wenn die Flüssigkeit harmlos erscheint.
• Eine Flüssigkeit in unbedenklicher Konzentration kann Risse verursachen, sobald sie sich anreichert, zum Beispiel durch Verdunsten.

Abhilfemaßnahmen

Werkstoff

Wählen Sie einen Kunststoff, der in den Flüssigkeiten, mit denen er in Berührung kommt, rissbeständig ist.

Konstruktion

Senken Sie die Zugspannungen durch Klemmen, Einpressen und Biegen.

Umgebung und Betrieb

Halten Sie das Bauteil von rissauslösenden Flüssigkeiten wie Lösemitteln und Tensiden fern.

Fertigung und Instandhaltung

Verringern Sie die bei der Formgebung entstehenden Eigenspannungen.

Merkmale, die für diese Schadensart Punkte bringen

Feine Crazes (Fließzonen) oder Weißbruch in einem Kunststoff +3Öle, Lösemittel oder Reinigungsmittel (Tenside) +3Kunststoff +3Konstante Last (Eigengewicht, Innendruck, Schraubenvorspannung …) +2Kaum äußere Last (Eigenspannungen aus Schweißen, Biegen oder Einpressen) +2Kunststoff × Öle, Lösemittel oder Reinigungsmittel +2Fast keine (die Bruchstücke passen genau zusammen) +1Etwa Raumtemperatur +1Gummi oder Elastomer (Dichtungen, O-Ringe …) +1Stunden bis Monate +1Hochfester Stahl (vergütete hochfeste Schrauben, Federn …) −3Üblicher unlegierter oder niedriglegierter Stahl −3Austenitischer nichtrostender Stahl −3Aluminiumlegierung −3Kupferlegierung (Messing …) −3Warmfeste Legierung (Nickelbasis-Superlegierung …) −3Keramik oder Glas −3Groß (Einschnürung, Biegung oder Dehnung) −2Hoch (über etwa 0,4 der absoluten Schmelztemperatur; bei Stahl etwa ab 450 °C) −1

Verwandte Begriffe: Kristallinität Viskoelastizität

Übungsfragen:

1. Was geschieht im Allgemeinen, wenn bei einem Polymer derselben Art die Kristallinität steigt?