Sprödbruch von Schrauben aus korrosionsträgem Stahl beim Sichern

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1 Sprödbruch von Schrauben aus korrosionsträgem Stahl beim Sichern Elektrischen Strom zu erzeugen ist das eine, ihn zu verteilen das andere. Man muss Hochspannungstrassen durch das Land ziehen, also eine Linie recht auffälliger (Freileitungs-)Masten. Ein Hochspannungsmast wird in Gitterbauweise (Fachwerk) errichtet. Er stellt ein filigranes Gebilde dar, welches dem Rost eine große Angriffsfläche darbietet. Gegen diese Art der allmählichen Auflösung kann man den Stahl durch Aufbringen von Schichten schützen (Feuerverzinken) oder ihn so legieren, dass er die Schichten selbst bildet. Im letzteren Fall rostet der Stahl normal an. Die Schichten sind dann aber so dicht, dass der weitere Angriff stark gebremst wird. Als Legierungselemente werden Chrom (0,6-0,8 %) und Kupfer (0,4 %) eingesetzt. Gegen Ende der 1960iger Jahre stand ein solcher wetterfester Stahl auch in der DDR zur Verfügung, bezeichnet als KTS 30/45 mit KTS als Abkürzung für korrosionsträger Stahl. Die Zahlenwerte stehen für Streckgrenze und Zugfestigkeit, angegeben in kp/mm 2 ; vergleiche [1]. Erschmolzen wurde der Stahl im Siemens-Martin-Ofen. Da Zink in der DDR knapp war, beschloss man, für Hochspannungsmasten nur noch den KTS 30/45 einzusetzen. Entsprechend wurden auch die Schrauben aus diesem Stahl gefertigt. Ein Hochspannungsmast kann durch den Wind zu Schwingungen angeregt werden. Somit besteht die Gefahr, dass sich die Schrauben lösen. Um dies zu verhindern, wird das Gewinde hinter der Mutter angekörnt (durch Schlag mit dem Hammer). Dabei kam es häufig zum Bruch der Schraube; der Kopf platzte ab. Üblicherweise werden im Stahlbau für eine Verbindung mindestens zwei Schrauben gesetzt. Bei Hochspannungsmasten fehlt oft der Platz für die zweite Schraube. Wenn jedoch nur eine Schraube an jedem Strebenende vorhanden ist, kann der Bruch einer Schraube zur Lageveränderung oder auch zum Absturz der Strebe führen. Verschiedentlich waren Arbeiter getroffen worden. Es sollte herausgefunden werden, ob der Bruch der Schrauben auf den Werkstoff selbst zurück zu führen war (Versprödung) oder ob vielmehr Defekte als Startkerben gedient haben. Zu Untersuchung kamen Schrauben der Größe M12 und M16.

2 Es wird vorweggenommen, dass der Werkstoff zwar spröd reagiert hat, der Bruch jedoch immer von Defekten ausging. Bei insgesamt 6 Proben konnten drei Typen von Defekten ermittelt werden, die anhand der Proben A C dargestellt werden sollen. Probe A Als Riss-Start zeigt sich eine Stufe am Probenrand (Bild 1 und Bild 2). Diese stellt die Spur eines Defektes dar. Bild 1: Probe A, Bruchstart punktuell am Rand (lichtoptisch) Bild 2: Probe gegenüber Bild 1 nach links gekippt, Absatz am Probenrand 2

3 Der Defekt setzt sich als linienhafte Störung auf dem Probenmantel fort (Bild 3 und Bild 4). Das Probenende wurde schräg angeschliffen. Der Defekt läuft senkrecht in die Probe ein und erreicht eine Tiefe von 0,7 mm (Bild 4 und Bild 5). Bild 3: Stufe am Rand hinterlässt Spur auf dem Probenmantel (Ausschnitt aus Bild 2, REM-Aufnahme) Bild 4: Seitenansicht: linienhafter Defekt als Fortsetzung der Stufe (angeschliffen), Bruchfläche unten Bild 5: angeschliffener Defekt läuft senkrecht in die Probe ein, Tiefe 0,7 mm 3

4 Der Bruch ist vom Grund des Defektes ausgegangen. Der Rissverlauf lässt sich an den Bruchfacetten erkennen (Bild 6). Diese Facetten ergeben sich durch ein Spalten der Körner entlang der {100}-Ebenen. Bild 6: Riss-Start am Grund des Defektes; Spaltfacetten (Ausschnitt aus Bild 3) 4

5 Probe B Ein Defekt in der Ausdehnung von etwa 2 mm diente als Riss-Starter. Ein noch größerer Defekt findet sich auf der Gegenseite (Bild 7). Bild 7: Probe B, zwei Defekte markiert; der obere diente als Bruchstarter Der bruchauslösende Defekt liegt schräg in der Probe; er wurde beim Anstauchen des Kopfes umgelenkt (Bild 8). Bild 8: Defekt liegt schräg in der Probe 5

6 Die Probe wurde parallel zur Bruchfläche angeschliffen. Der zweite Defekt hat eine Länge von 2,7 mm und läuft unter einem Winkel von 45 o zum Probenmantel in den Draht ein (Bild 9). Bild 9 Defekt läuft unter etwa 45 o in die Probe ein, Tiefe 2,7 mm, (Defekt aus Bild 7 unten) Probe C Unterhalb des Riss-Startpunktes findet sich auf dem Probenmantel eine flächige Anschmierungen in der Ausdehnung von 3*3 mm (Bild 10). Im Schnittbild wird deutlich, dass es sich um einen Defekt handelt, der äußerst flach einläuft, eine sogenannte Schuppe (Bild 11). Bild 10 Probe C, Anschmierung auf dem Probenmantel unterhalb des Riss-Startpunktes, etwa 3*3 mm groß 6

7 Bild 11: Defekt liegt flach unter dem Probenmantel (Schuppe) Diskussion Die folgende Klassifizierung der Fehler erfolgt unter Bezug auf [2] und [3]. Bei Probe A war der Defekt (0,7 mm tief) senkrecht zum Probenmantel orientiert. Das kennzeichnet eine Ziehriefe. Defekte dieser Art entstehen durch Gratausbildung in der Ziehmatrize oder durch Abreißen des Schmierfilmes. Die Riesendefekte (2 bzw. 2,7 mm) bei Probe B sind mit ihrer 45 o -Lage typisch für Überwalzungen. Sie sind schon in einem früheren Verformungsschritt entstanden und zwar durch Einwalzen von Graten oder durch Aufplatzen von Lunkern. Bei Probe C fand sich eine Schuppe in der Größe von 3*3 mm. Schuppen gehen auf Fehler in der Blockoberfläche oder ungenügendes Putzen zurück. Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass der Bruch von Ziehriefen, Überwalzungen und Schuppen ausging. Das spröde Bruchverhalten war nur eine Begleiterscheinung. Das Walzwerk beschaffte eine Anlage zur zerstörungsfreien Prüfung des Drahtes mittels Wirbelstrom; die Schrauben konnten nun ohne Gefahr für Leib und Leben gesichert werden. Man lernte auch bald die Grenzen des Einsatzes wetterfester Stähle kennen. Die Stabilität der Schutzschicht ist an einen normalen Wechsel von Befeuchtung und Trocknung gebunden. Daraus ergaben sich Probleme, wenn die Masten auf Feldern standen. Mit der Größe der Landmaschinen (Siebenscharpflüge) war auch ihr Wendekreis gewachsen, und die Masten wurden immer großzügiger umkurvt. Um die Mastfüße herum bildeten sich Brachegebiete aus. Diese verbuschten alsbald, wodurch ein Feuchtklima entstand. Damit brach die Schutzschicht zusammen. Den winterlichen Eisstürmen haben die Masten aus KTS 30/45 immer widerstanden, im Gegensatz zu solchen, die anderweitig noch aus Thomasstahl gefertigt worden waren, vergleiche [4]. 7

8 Literatur [1] Stahlberatungsstelle Freiberg: Qualitäts- und Edelstähle der Deutschen Demokratischen Republik. VEB Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie Leipzig 1971 [2] Stahlberatungsstelle Freiberg: Stahlfehleratlas. VEB Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie Leipzig 1971 [3] Autorenkollektiv: Stahldraht Herstellung und Anwendung. VEB Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie Leipzig 1973 [4] Bundesnetzagentur: Untersuchungsbericht über Versorgungsstörungen im Netzgebiet des RWE im Münsterland vom Martin Möser, 09. April