SCHADENSANALYSE GEFÜGTER BAUTEILE

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1 SCHADENSANALYSE GEFÜGTER BAUTEILE Hon.-Prof. Dr.-Ing. Thomas Böllinghaus Bundesanstalt für Materialforschung und prüfung Unter den Eichen 87 D Berlin Tel.: Fax: web: INSTITUT FÜR WERKSTOFF- UND FÜGETECHNIK Hon.-Professur Schadensanalyse und Schadensprävention Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg Universitätsplatz Magdeburg iwf@uni-magdeburg.de OTTO-VON-GUERICKE-UNIVERSITÄT MAGDEBURG Institut für Werkstoff- und Fügetechnik

2 Übersicht: Vorlesungsthemen I WS 2014/2015 SWS: 2V/1Ü Vorlesung 1 (2h) (2h) (2h) (2h) (2h) (2h) (2h) (2h) Thema Interaktion von Konstruktion, Werkstoff und Beanspruchung Grundsätzliche Auswirkungen des Fügens auf die Bauteilintegrität Vorgehensweise und Durchführung von Schadensanalysen Grundsätzliche Aspekte der Normung und Gewährleistungsfragen Fertigung gefügter Bauteile I Übersicht über Schäden und Imperfektionen Fertigung gefügter Bauteile II Kaltrisse Fertigung gefügter Bauteile III Heißrisse, Schäden an Laserschweißverbindungen Betrieb gefügter Bauteile I Einführung in typische Brucharten und topographien

3 3 Schadensanalyse gefügter Bauteile Vorlesung 8 Einführung in verschiedene Riss- und Bruchtypen sowie topographien bearb eitet von: Dr.-Ing. Th. Böllinghaus VP u. Prof.

4 Schäden im Betrieb sind vielfach eine Konsequenz von Schweißnahtfehlern, die bereits während der Herstellung eines Bauteils eingebracht wurden Beispiel für eine Kombination eines Schadens während der Fertigung mit einem Schaden im Betrieb Spannungsrisskorrosion ausgehend von einem Heißriss Weitere mögliche Konsequenzen sind u. a.: Schwingrisse, Gewaltbrüche (zuvor Einführung in die Brucharten) Spannungsrisskorrosion ausgehend von einem Erstarrungsriss in einer Laserschweißnaht Böllinghaus, Herold: Hot Cracking Phenomena in Welds

5 Brüche sind abhängig von der Art der (mechanischen) Beanspruchung und von der Struktur des Gefüges (Bruchbild gibt auf beides Hinweise) Broichhausen: Schadenskunde Arten der Beanspruchung: a) Zugbeanspruchung Gewaltbruch b) Ruhende Beanspruchung Zeitstandbruch c) Gleichmäßig wechselnde Beanspruchung Dauerbruch bzw. Schwingbruch d) Ungleichmäßig wechselnde Beanspruchung (Lastkollektiv) Dauerbruch bzw. Schwingbruch Risse und Brüche treten immer unter mechanischer Beanspruchung und meistens in Koppelung mit einer anderen Beanspruchung auf Gefügeaufbau am Beispiel eines Eisennietes

6 Riss: Lokale Werkstoffinhomogenität in Form einer Materialtrennung Bruch: Riss verläuft durch den gesamten Querschnitt Klassifikation von Rissen und Brüchen nach: - Höhe der Beanspruchung (Niederspannungsbruch, Fließbruch) - Art der Beanspruchung (Torsionsbruch, Spannungsriss etc.) - Grad der plastischen Verformung (Zähbruch, Sprödbruch) - Verlauf im Gefüge (interkristallin, transkristallin) Durchgesetzt hat sich die Bezeichnung nach der Art der Beanspruchung (so, wie bei der Klassifikation von Bauteilschäden insgesamt) und es wird zwischen mechanisch, thermisch oder korrosiv bedingten Rissen und Brüchen unterschieden Maßgebend für den Bruchtyp ist dann der Bruchmechanismus, also die Art des Trennvorganges. Unterschieden wird hier Gleitbruch, Spaltbruch, Diffusionskontrollierter Bruch und Bruch infolge risserzeugender Korrosion. Der Bruchmechanismus ist vom wiederum vom Werkstoffzustand (Kristallstruktur und Gefügeausbildung) und von den Beanspruchungsbedingungen abhängig.

7 Zuordnung von Brucharten zu Beanspruchungen und Gefügen kann anhand der spezifischen Bruchmerkmale erfolgen Bruchmerkmale sind: - Verlauf (trans-, interkristallin) - Orientierung im Bauteil und zur Beanspruchungsrichtung - Erscheinungsbild (matt, kristallin) - Ablagerungen (Korrosionsprodukte, nachträgliche Korrosion), - Linienführungen (Schwingungsstreifen, Bruchbahnen) Lange: Systematische Beurteilung technischer Schadensfälle 5. Auflage Duktiler Gewaltbruch (Gleitbruch) - statische mechanische Beanspruchung senkrecht zur Bruchoberfläche Spröder Gewaltbruch (transkristalliner Spaltbruch) statische mechanische Beanspruchung senkrecht zur Bruchoberfläche Duktiler transkristalliner Schwingbruch dynamische mechanische Beanspruchung senkrecht zur Bruchoberfläche

8 Unterscheidung nach der Art der Beanspruchung I

9 Unterscheidung nach der Art der Beanspruchung II

10 Unterscheidung nach der Art der Beanspruchung III

11 Erscheinungsformen von Rissen und Brüchen I

12 Erscheinungsformen von Rissen und Brüchen II

13 Beanspruchung mechanisch Normalspannungsbruch Zugprobe Schubspannungsbruch Zugprobe Trichterbruch Zugprobe Spaltbruch ohne plastische Vorverformung Zugprobe

14 Zuordnung teilweise nicht eindeutig I Spaltbruch mit plastischer Vorverformung Zugprobe Scherbruch abgescherte Schraube Scherbruch Detail aus Bild o.r. Fräserbruch vergütet

15 Zuordnung teilweise nicht eindeutig II Erscheinungsformen von Rissen und Brüchen in metallischen Werkstoffen Mischbruch aus Korngrenzenbruch und Wabenbruch, Kerbschlagprobe Mischbruch aus Spaltbruch und interkristallinem Korngrenzenbruch; Zugprobe Mischbruch aus Spaltbruch und interkristallinem Korngrenzenbruch; gebrochene Welle Mischbruch aus Wabenbruch, Spaltbruch und interkristallinem Korngrenzenbruch; Zugprobe

16 Beanspruchung thermisch Interdendritischer Heißriss im Schweißgut Interdendritscher Heißriss im Schweißgut terdendritscher Heißriss, Baustahl mit 0,06 % C und 4,6 % Mn Heißriss mit frei erstarrten Dendrittenoberflächen bzw. Korngrenzoberflächen

17 Beanspruchung korrosiv Wasserstoffunterstützte Spannungsrißkorrosion transkristalliner Bruch mit federartigem Aussehen Wasserstoffunterstützte Spannungsrißkorrosion interkristalliner Bruch in vergütetem Spannstahl Wasserstoffunterstützte Spannungsrisskorrosion korrodierter trans- und interkristalliner Bruch Wasserstoffunterstützte Spannungsrisskorrosion Korrodierter interkristalliner Bruch (C-Stahl)

18 Beanspruchung metallurgisch Wasserstoffunterstützter transkristalliner Bruch Wasserstoffunterstützter transkristalliner Riss mit augefiederten Spaltflächen Wasserstoffunterstützter transkristalliner Riss Flocke mit abgerundeten Risskanten

19 Beanspruchung thermo-mechanisch und metallurgisch Wasserstoffunterstützter interkristalliner Riss mit Waben auf den Korngrenzflächen Wasserstoffunterstützter interkristalliner Riss mit Haarlinien auf den Korngrenzflächen Wasserstoffunterstützter interkristalliner Riss mit transkristallinen und interkristallinen Spaltbruchanteilen

20 Beanspruchung thermo-mechanisch und metallurgisch Bruchfläche eines mit Wasserstoff beladenen Wälzlagerstahles (Massenanteil an Wasserstoff: 3,9ppm) Bruchfläche eines wasserstofffreien Wälzlagerstrahles (gleiche Wärmebehandlung wie im Bild links)