Bildung von Härterissen

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1 Bildung von Härterissen Martin Möser, August 2008 Zwei Fälle von Härterissigkeit werden vorgestellt. 1. Lagerkugeln Es gab Beschwerden, dass sich Fahrräder (aus DDR-Produktion) schwer treten ließen. Die Ursache wurde im flächigen Ausplatzen der Lagerkugeln des Tretlagers (Kugellagerstahl 100Cr6) gefunden. Das Bruchgefüge erwies sich schon bei geringer Vergrößerung als auffällig körnig (Bilder 1 und 2). Die Korngrenzflächen sind glatt ausgebildet. Vereinzelt finden sich Inseln, in denen der Bruch die Körner aufgespalten hat (transkristalliner Verlauf), siehe die Bilder 3-5. Bild 1 Kugel mit Ausplatzung (Übersichtsaufnahme), Bruchgefüge körnig ausgebildet Bild 2 Ausschnitt aus Bild 1 1

2 Bild 3 körniges Grundgefüge ( interkristallin ), halblinks transkristalline Insel (Ausschnitt aus Bild 2) Bild 4 transkristalline Insel umgeben von Korngrenzflächen (Ausschnitt aus Bild 3) Bild 5 Die Korngrenzflächen sind glatt ausgebildet, das transkristalline Bruchgefüge ist sehr fein (Ausschnitt aus Bild 4) 2

3 2. vorzeitige Rissbildung in einer Bruchmechanikprobe Der Federstahl 55SiMn7 sollte bruchmechanisch untersucht werden (Dreipunktbiegeproben). Der Stahl lag vergütet vor, und es stellt sich die Frage, wie der Kerb einzubringen sei. Eine geeignete Trennschleifmaschine war nicht vorhanden, und das elektroerosive Schneiden erwies sich noch als wenig leistungsfähig. Deshalb wurde vorgeschlagen, erst den Kerb einzufräsen und dann zu härten. Die ermittelte Bruchzähigkeit lag aber weit unter den erwarteten Werten. Auf der Bruchfläche hob sich ein Bereich ab, welcher feiner strukturiert war als die Umgebung (Bild 6). Der er außerdem blau angelaufen war, musste er schon beim Härten bzw. Abschrecken entstanden sein. Er erfasste einen Teil der Ermüdungsbruchzone und ragte weit in den Bereich des Gewaltbruches hinein. Bild 6 bruchmechanische Biegeprobe; lichtoptische Aufnahme der Bruchfläche, E = Ermüdungsbruch G = Gewaltbruch A = feinkörnige Zone (angelaufen) 3

4 Betrachtet wird der genannte Anlaufbereich zunächst dort, wo er innerhalb der Gewaltbruchfläche liegt. Die Korngrenzflächen sind freigelegt worden. Dazwischen finden sich feine Scherkämme mit Wabenstruktur (Bild 7 als Vergrößerungsfolge). Bild 7: Anlassfarbenzone körniges Bruchgefüge (Vergrößerungsfolge); zwischen den Korngrenzflächen werden feine Abreißkämme sichtbar 4

5 Nun interessiert der Bereich, wo der Ermüdungsriss in den Härteriss eingelaufen ist. Der Ermüdungsriss hält sich streng an die Normalspannungsebene. Er folgte daher nur bedingt den freigelegten Korngrenzflächen (Bild 8). Bild 8: Überlagerung von Härteriss und Ermüdung Korngrenzflächen und feine transkristalline Facetten (Rissverlauf von links unten nach rechts oben, Vergrößerungsfolge) Im Gewaltbruchgebiet ist der Bruch vorwiegend duktil erfolgt, wobei die Sulfideinschlüsse freigelegt wurden. Vereinzelt finden sich auch Korngrenzflächen (Bild 9). Bild 9: Bereich des Gewaltbruchs, Sulfide, Waben und vereinzelte Korngrenzflächen 5

6 Diskussion Mit glatten Korngrenzflächen und transkristallinen Restbereichen findet sich in beiden Fällen ein Erscheinungsbild, das unter den gegebenen Umständen einen Härteriss kennzeichnet. Bei wenig legierten Stählen ist die Entstehung solcher Risse daran gebunden, dass der Kohlenstoffgehalt über 0,5% liegt. Der Bruch stellt sich auf Grund des Aufbaus innerer Spannungen bei der Umwandlung vom Austenit in den Martensit ein [1]. Transkristalline Inseln, ob nun als Spaltbruch (Lagerkugel) oder als Wabenbruch (Federstahl) stellen Bereiche des letzten Zusammenhalts dar. In beiden Fällen lag der Kohlenstoffgehalt über der genannten Anfälligkeitsgrenze, beim Federstahl allerdings nur knapp. Durch das Einbringen des Kerbes konnten sich jedoch erhebliche Schrumpfspannungen aufbauen. Zu beachten ist: Um die Durchhärtung zu verbessern oder die Kriechfestigkeit zu steigern, werden Stähle i.w. mit Chrom legiert, wodurch die Anfälligkeitsschwelle bis auf 0,22% C sinkt, so beim X22CrMoV12-1, siehe [2]. Literatur [1] Macherauch, E.; Müller, H.; Vöhringer, O.: Härterisse ihre Erscheinungen und möglichen Ursachen. In: Bruchuntersuchungen und Schadensklärung Probleme bei Eisenwerkstoffen, Allianz-Versicherungs AG München und Berlin 1976, S [2] Jöst, H.; Mecke, P.; Schneider K.: Metallografische und mikrofraktographische Untersuchungen von Härterissen in X 22 CrMoV 12 1, ebenda S Anmerkung: Am dritten Tag meiner Lehrlingsausbildung fiel meine Schruppfeile herunter und zerbrach. Der Lehrmeister holte schon tief Luft, als ich ihn darauf hinwies, dass die Hälfte der Bruchfläche oxidiert war. Jahre später zerbrach eine Schneide eines neu erworbenen Seitenschneiders; das hätte gefährlich werden können. 6