LOM
Labor für Oberflächen und Materialien
Schadensanalyse in der Industrie
Dr. Maren Kraack, LOM GmbH
26 November 2008
Schadenfälle, SGA
LOM GmbH
LOM
Labor für Oberflächen und Materialien
Inhalt •
Theorie
•
Schadensanalyse
•
26 November 2008
•
Schadensaufnahme
•
Beschreibung der Arbeitsschritte
Beispiele
Schadenfälle, SGA
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Labor für Oberflächen und Materialien
Was muss man wissen?
Rissausgang
Ort der Spannungskonzentration
Bruchaussehen
wirkende Beanspruchung
Bruchmechanismus
Belastungsform, Werkstoffverhalten
+ Charakterisierung der Werkstoffqualität
26 November 2008
Schadenfälle, SGA
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Rissausgang Elemente zur Spannungskonzentration • konstruktive Kerben (Wellenabsätze, Bohrungen, Gewinde,...) • Oberflächenfehler (Dreh- und Schleifriefen, Schlagstellen) • lokale Versprödung • Korrosion • Werkstoffinhomogenitäten (Einschlüsse, Poren, Reiboxidation) erkennbar: → makroskopisch → Im Rasterelektronenmikroskop → Im Querschliff mit Zielpräparation
26 November 2008
Schadenfälle, SGA
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Bruchflächenverlauf Risswachstum abhängig von: • • •
Eigenspannungen mechanischen Spannungen Korrosion
⇒ Wirkende Spannungen beeinflussen den Bruchflächenverlauf
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Bruchmechanismen
Gewaltbruch
Gleitbruch Rosettenbruch
Schwingbruch
Spaltbruch
Kriechbruch
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Korngrenzenbruch
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Bruchmechanismen - Spaltbrüche Mechanismus Lastspitze > theoret. Atombindung (≈ 105 N/mm2) Spannungsspitzen im Gefüge Spannungsabbau unmöglich = Gleitung blockiert
begünstigt durch hochfeste, spröde Gefüge tiefe Temperaturen hohe Belastungsgeschwindigkeiten bei krz und hexagonalen Metallen mehrachsiger Spannungszustand
26 November 2008
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Merkmale - Spaltbrüche Makroskopisch Verlauf der Bruchfläche senkrecht zur grössten Normalspannung spröder Bruch flache Bruchfläche REM Spaltlinien transkristallin und/oder interkristallin
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Bruchmechanismen - Gleitbrüche Mechanismus: Überwindung der Atombindung durch Abgleiten Bildung von Mikroporen Bildung länglicher Löcher Vereinigung der Löcher begünstigt durch: Duktilität Spannung > Dehngrenze Hohe Temperaturen tiefe Belastungsgeschwindigkeiten
26 November 2008
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Merkmale - Gleitbrüche Makroskopie Riss entlang Schubspannungen plastische Verformung REM Waben Bruch einzelner Ebenen unter 45° Metallographie Zusammenhang mit Gefüge Bildung von Nebenrissen Werkstoffqualität
26 November 2008
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Bruchmechanismen - Schwingbrüche Mechanismus Stadium 1: Rissbildung an Gleitbändern oder bei örtlicher Spannungskonzentration Stadium 2: Risswachstum, plastische Verformung an der Risspitze, Schwingungsstreifen, Spaltbruch Stadium 3: Restbruch
26 November 2008
-
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Merkmale - Schwingbrüche Makroskopie Verlauf senkrecht zur grössten ZugNormalspannung glatter, feiner Bruch meist Restbruch meist Rastlinien REM Schwingungslinien durch Öffnen und Schliessen des Risses Metallographie Gefüge am Bruchausgang
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Schwingbrüche
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Bruchmechanismen + Korrosion
Korrosion + Schwingung
⇒ Schwingungsrisskorrosion
Korrosion + Spannung ⇒ Spannungsrisskorrosion
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Schadenfalltypen
Gerichtsfälle Einzelfälle mit Reklamation
Systematische Fehler
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Schadensaufnahme 1. Fotos vor Ort 2. evt. berührende Dinge wie Produkt, Kühlwasser, Schmiermittel,... sammeln 3. Bauteil möglichst weit von Bruchfläche entfernt trennen, wenn nötig 4. Bruchflächen trocken und geschützt verpacken 5. beide Bruchflächen zur Untersuchung bringen 6. Checkliste für Schadenfälle durchgehen 7. Formulierung des Untersuchungszieles
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Checkliste für Schadensfälle
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Erste Fragen • Welche Funktion hat die Maschine? • Welche Funktion hat das Bauteil? • Welche Kräfte wirken? • Welche Werkstoffe wurden verwendet? • Wie wurde das Bauteil hergestellt? • Beschreibung des Schadenherganges? • Bei wie vielen Teilen und wie vielen Kunden trat der Schaden auf?
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In welchem Gesamtsystem steht das Bauteil? Schmiermittel Feuchtigkeit FN
Temperatur
Produkt
α
Schmutz Topographie
v
Werkstoff Gefüge
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Vorgehensplan
Schadensaufnahme (Dokumentation, Rekonstruktion des Bauteils)
Rissprüfung zerstörungsfrei?
Makroskopie
Trennen
Makroskopie und Reinigung
Trennen
Materialanalyse?
Härtemessung, ob, wo und wie?
Rasterelektronenmikroskopie
Metallographie
Offerte 26 November 2008
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Makroskopie, Fraktographie Reinigung je nach Verunreinigung und benötigten Analysen (Ultraschall, Bürsten, Alkohol, Aceton, Zitronensäure, Seife, ...)
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Rekonstruktion
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Rasterelektronenmikroskopie • Reinigung • Beschichtung • Untersuchung • EDX-Analyse (lokal, Mapping,..)
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Metallographie •
Ist das Gefüge homogen?
•
Entspricht es den Vorgaben?
•
Wie hat der Werkstoff auf die Umgebung reagiert?
•
Korrosion? Wenn wie?
•
Verformung?
•
Haftung einer Schicht?
•
Rissbildung?
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Zusammenfassung Rissausgang
auslösender Parameter
Bruchverlauf
wirkende Spannungen
Bruchmechanismus
Belastungsform
+ Werkstoffqualität
+ Informationen über Schadenshergang
Bruchursachen Gewichtung der Bruchursachen
Diskussion von Abhilfemassnahmen
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Riss in Extruderplatte •
3 Platten bei einem Kunden gerissen, 2 Platten noch iO
•
Es gibt wenige Platten dieser Grösse
•
Standzeit 8 Monate, 3 Monate, 10 Tage
•
X46Cr13, geschmiedet, gehärtet auf 50-54 HRC
•
Extrusion von Cerealien, Chloride
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Extruderendplatte 10 Tage
Seite Düsenplatte
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extruderseitig
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Extruderendplatte 10 Tage
Extruderbohrung
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Oberkante Platte
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Extruderendplatte 10 Tage
Extruderbohrung
Seite Düsenplatte
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Beide Bruchflächen
10 Tage
8 Monate
26 November 2008
Schadenfälle, SGA
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Bruchflächen 10 Tage - Makroskopie
26 November 2008
Schadenfälle, SGA
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Rasterelektronenmikroskopie
26 November 2008
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Metallographie
26 November 2008
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Schlussfolgerung
Riss infolge interkristalliner Korrosion + Einfluss von Eigenspannungen
26 November 2008
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Dosen reissen bei Expansion
26 November 2008
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Riss bei Dosenexpansion
• Nicht alle Dosen reissen beim Expandieren • Unterschiedliche Lieferanten • Gleiche Expansionsparameter
26 November 2008
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Risse
26 November 2008
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Gute Dosen
26 November 2008
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Rasterelektronenmikroskopie
Riss
26 November 2008
Bruchfläche
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Metallographie
26 November 2008
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Zugversuch
Mittelwert Re 470, Rm 508
26 November 2008
Mittelwerte Re 402.3, Rm 421.6
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Zusammenfassung • Risse wegen lokaler Spannungskonzentration und Einschnürung • Material muss verfestigend sein • Gutes Material wurde Hauben geglüht • Schlechtes Material wurde batch-annealed • Wichtig R-Wert = Mass für die Anisotropie der Verformung von Blechen • Rohmaterial nicht nur über Festigkeit definieren
26 November 2008
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