Fraktographie in der Schadenanalytik

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1 Fraktographie in der Schadenanalytik 1. Firmenportrait 2. Fraktographie an Keramik / Glas 2.1 Grundsätzliches / Theorie / Methodik mit Beispiel 3. Beispiele aus der metallischen Welt Rolf Winkler rolf.winkler@suisse-tp.ch Wilhelm Schmidlin AG, Oberarth

2 Firmenportrait Unabhängig Langjährige Erfahrung als F & E Standort internationaler Konzerne 40 Mitarbeiter mit grosser Erfahrung Kompetenzen in verschiedenen Bereichen Werkstofftechnologie Labordienstleistungen Engineering Intellectual Property (IP) Standort: Neuhausen, Schweiz 2

3 Wiege der Europäischen Aluminium-Industrie 1888 seit Erste industrielle Aluminium-Produktion in Europa F & E Ende Aluminium-Produktion Bewegte Historie:

4 Unsere Kunden und Aktivitäten Wir zählen über 900 Unternehmen in unterschiedlichen Branchen (Automotive, Transportation, Metallindustrie, Pharma, Verpackung) zu unseren Kunden 60 % des Umsatzes ausserhalb der Schweiz Schwerpunkt Europa Unsere Kunden beauftragen uns mit kleinen Labordienstleistungen über komplexe Schadensanalysen bis hin zu längerfristigen Entwicklungsprojekten Material Chemische Analytik Engineering IP 4

5 Werkstoffberatung und -entwicklung Beratung zum Einsatz von Werkstoffen in einer bestimmten Anwendung Technologie-Abklärungen zu Herstell- und Verarbeitungsverfahren Laborversuche für verschiedenste Verfahren Materialcharakterisierungen oder spezifische Prüfverfahren nach Kundenwunsch Prototypenherstellung Langzeitverhalten und Umweltsimulationen Schadensanalysen 5

6 IP Dienstleistung Schwerpunkte Patente Recherchen Bearbeiten von Erfindungsmeldungen Ausarbeitung Patentanmeldungen Beratung Anmeldeverfahren Erteilungsverfahren Einsprüche/ Beschwerden Verletzungsangelegenheiten Administration Überwachung der Fälligkeitstermine Zahlung Aufrechterhaltungsgebühren IP Portfolio-Management Marken Recherche Durchführung von Anmeldeverfahren Beratung Anmeldeverfahren Widersprüche Verletzungsangelegenheiten Designs Recherche Ausarbeitung Designanmeldungen Durchführung Anmeldeverfahren Verletzungsangelegenheiten 6

7 Fraktographie: Visuelle, makroskopische und mikroskopische Analyse der Bruchflächen von gebrochenen Bauteilen. Fraktographie ist ein ganz wesentlicher Bestandteil der Schadenanalytik 7

8 Fraktographie an nicht metallischen Werkstoffen Unterschied zwischen Keramik und Glas? Strukturelle Aufbau: Keramik kristallin (Fernordnung) Glas: Amorph (Nahordnung) Metallische Struktur 8

9 Bindungsarten Ionenbindung Ist durch Anziehungskräfte zwischen entgegengesetzt geladene Ionen gekennzeichnet Metallische Bindung Atombindung (kovalente Bindung) Ist durch Ausbildung gemeinsamer Elektronenpaare zwischen zwei Atomen gekennzeichnet Unterschiedliche Ladungen zwischen Atomrümpfen und Elektronengas, dadurch abstossende und anziehende Kräfte 9

10 Als Folge der ionischen und kovalenten Bindungen sind keramische Stoffe überwiegend hart und spröd. Der KIC-Wert ist klein (Spannungsintensitätsfaktor), Bruchspannung, Fehlergrösse, Formfaktor (Glas 2, Al2O3 9.1) Kleinste Fehler sind spannungsverstärkend und führen zum Bruch! Keramiken sind immer fehlerbehaftet weshalb eine konstruktive Berechnung erschwert wird Mikrofraktographie relativ einfach: Brüche an Keramiken entweder IK oder TK Wichtig: Wo ist der Bruchausgang!! 10

11 Jede Menge Bruchstücke und jetzt Gebrochener Kugelkopf von Hüftimplantat Ursprüngliche Form rekonstruieren Übereinstimmung der Bruchflächen beurteilen Grosse Fragmente begutachten 11

12 Was sehe ich auf der Bruchfläche? Bruchlage und Form: Beanspruchungsart Rauheit: Führt zum Bruchausgang Spiegel: Gibt eindeutig den Bruchausgang an und erlaubt die quantitative Auswertung der Bruchspannung = C/r Bruchausgang: Bruchursache 12

13 Was sehe ich auf der Bruchfläche Bruchlage und Form: Die Bruchausgangstelle befinde sich immer im Symetriezentrum des Bruchbildes. Um diese sind die grössten Bruchstücke angeordnet! 13

14 Was sehe ich auf der Bruchfläche Bruchlage und Form: Bruch durch Innendruck steigender Innendruck von links nach rechts Bruch durch Schlag 14

15 Was sehe ich auf der Bruchfläche Rauheit der Bruchfläche: Spiegel: Bruchausgangsstelle, glatt ausgebildet, abgegrenzt durch eine feinkörnige Rauheit, die in eine Rissgabelungszone mündet Die Zunahme der Bruchenergie äussert sich durch eine zunehmende Bruchflächenrauheit, denn die Rissfront verzweigt sich mikroskopisch (Rissgeschwindigkeit nimmt zu). 15

16 Was sehe ich auf der Bruchfläche Spiegel: Der Spiegel entspricht dem Bruchbereich, innerhalb welchem sich der Bruch beschleunigt. Als Folge der langsameren Ausbreitung in einer Ebene sind die Anrisse bei Bruchbeginn immer glatter als in den zuletzt gebrochenen Partien. Der Spiegel liegt immer in einer mechanisch definierten Ebene der höchsten Spannung (stets normalflächig orientiert, d.h. senkrecht zur Oberfläche). 16

17 Was sehe ich auf der Bruchfläche Spiegel und Bruchausgang: Bruchausgang befindet sich an der Oberfläche, an mechanischen Beschädigungen (Kerben). Ausbruch neben Bruchausgang sekundär Bruchspannung lässt sich ermitteln: B x r = C r = Radius des Bruchspiegels C = Materialspezifische Konstante 17

18 Was sehe ich auf der Bruchfläche Fraktographie an metallischen Werkstoffen, Beispiel 1: Korrosion oder Gewaltbruch 18

19 Was sehe ich auf der Bruchfläche Fraktographie an metallischen Werkstoffen, Beispiel 2: Sprödes Bruchverhalten? 19

20 Was sehe ich auf der Bruchfläche Fraktographie an metallischen Werkstoffen, Beispiel 3: Korrosion? 20

21 Durch fraktographische Untersuchungen können im Vorfeld wichtige Informationen aus Bruchereignissen ermittelt werden, die die weiteren Untersuchungsschritte vorgeben bzw. unnötig machen. - Gewaltbruch (duktil, spröde) - Schwingbruch (Anteil der Restgewaltbruchfläche) - Einfluss von Korrosion - Versprödung durch Wasserstoff - Spannungsrisskorrosion - Konstruktionsfehler - Schweissfehler Fraktographische Untersuchungen sind ein wichtiger Bestandteil der Schadenanalyse. Für stichhaltige Absicherung eines Schadenfalles sind aber weitere Untersuchungen z.b. Materialographie meist zwingend notwendig! 21