Schadensanalyse
Vorlesung von Prof. Dr. Martina Zimmermann im Bereich Maschinenbau an der TU Dresden
Vorlesung von Prof. Dr. Martina Zimmermann im Bereich Maschinenbau an der TU Dresden
Welche konkreten Verfahren gehören zu den Schweißverfahrensgruppen?
Schmelzschweißverfahren
- Gasschmelzschweißen
- Lichtbogenschweißen
- Strahlschweißen
- Laserstrahlschweißen
- Elektroponenstrahlschweißen
- Ionenstrahschweißen
Pressschweißverfahren
- Widerstandsschweißen
- Reibschweißen
Wovon ist die Schweißbarkeit eines Bauteils abhängig?
siehe Bild
Was sind typische fertigungsbedingte Schweißnahtfehler?
- (Nicht-)Durchlaufende Einbrandkerbe
- Wurzelkerbe
Was ist die Wärmeeinflusszone?
- Schweißeignung eines Werkstoffes vor allem durch Beeinflussung dessen Eigenschaften durch hohen Wärmeeintrag in Fügezonebestimmt
Wovon ist die Aufhärtungsneigung (Martensitbildung) abhängig?
- Geometrie des Bauteils
- Streckenenergie
- Temperaturgradient
- Legierungselemente
=> Kohlenstoffäquivalent CE (niedrig legierte Stähle)
Was ist das Kohlenstoffäquivalent?
- Ein Maß für die Schweißeignung von Stählen
- mittels empirisch ermittelter Gleichungen
- CE ~ 0,45 -> gut schweißgeeignet (ohne Vorwärmen)
- CE bis 0,6 -> bedingt schweißgeeignet (mit Vorwärmen auf 100-200°C)
- CE > 0,6 -> nicht schweißgeeignet (ggf. mit Vorwärmen auf 200-300°C)
Klassifiziere Schweißnahtfehler!
siehe Bild
verdeutliche Schweißnahtfehler grafisch!
siehe Bild
Was sind typische Formen von Kaltrissen?
- entstehen in letzter Phase der Abkühlung oder Zeitverzögert
- Aufhärtungsrisse
- schnelle Abkühlung (Aufhärtung -> Martensitbildung)
- vermindern Verformbarkeit
- Lamellenrisse
- parallel zu Blechoberfläche
- nur bei Blech wegen Gefügezeiligkeit durch Walzen
- (Terrassenbruch)
- nichtmetallische Einschlüsse im Rohstahl -> gewalzt (flach ausgeformt)
- Zugbeanspruchung in Werkstoffdickenrichtung => Terrassenbruch
- Wasserstoffrisse
- Diffusionsvorgänge im Wasserstoff -> verzögerter Bruch
- Kennzeichen: Mikroporen, klaffende Korngrenzen...
- Aufhärtungsrisse
Erkläre Heißrisse!
- entstehen während Schweißen (Abkühlung - Übergang fest/flüssig)
- verlaufen interkristallin
- treten in Verbindung mit niedrigschmelzenden Verbindungen auf
- Arten:
- Erstarrungsrisse
- Wiederaufschmelzungsrisse
Wie werden Schweißnahteigenspannungen analysiert?
zerstörungsfrei (indirekt, ohne Entspannung)
- Rhöntgendiffraktion
- Ultraschall
- Neutronendirffraktion
teil-zerstörend (teilweise Entspannung)
- Bohrlochmethode
- Härtemessungen
zerstörend (Entspannung)
- Aufschneiden
- Ausbohren
Was ist Korrosion?
Reaktion eines metallischen Werkstoffes mit seiner Umgebungdie eine Messbare Veränderung des Werkstoffes bewirkt und zu einem Korrosionsschaden führen kann
Was ist ein Korrosionsschaden?
Beeinträchtigung der Funktion eines metallischen Bauteils oder ganzen Systems durch Korrosion
Was ist eine Korrosionserscheinung?
messbare Veränderung eines metallischen Werkstoffes
Was ist Korrosionsschutz
Maßnahmen zur Verhinderung eines Korrosionsschadens
Beschreibe die Grundvorgänge der Korrosion!
siehe Bild
Was passiert bei der Sauerstoffkorrosion?
siehe Bild
Was ist eine Galvanische Kurzschlusszelle?
siehe Bild
Was sind typische Einflussparameter für Korrosion?
Werkstoffeinflüsse
- unterschiedliche Metalle (edel/unedel)
- Inhomogenität (Risse, Einschlüsse, Korngrenzen)
Medieneinflüsse
- Konzentrationsunterschiede
- Phasenunterschiede (Tropfen, Dreiphasengrenze...)
Temperatur
Strömungen
Nenne typische korrosive Erscheinungsformen!
- (ebenmäßige) Flächenkorrosion
- Narben-, Furchenkorrosion
- Lochfraß
- interkristalline Spannungsrisskorrosion
- Transkristalline Rissbildung
Was versteht man unter Glasübergangstemperatur?
Bei Kunststoffen: Verlust der elastischen Eigenschaften aufgrund zu geringer Temperaturen -> zerspringen wie Glas
Klassifiziere Fehlerursachen!
siehe Bild
Nenne typische Werkstofffehler und charakterisiere sie.
Eigenschaftsfehler
- zu geringe statische/dynamische Festigkeit
- zu geringe Kerbschlagzähigkeit
- zu geringe Härte
- mangelhafte Temperaturbeständigkeit
- mangelhafte Korrosionsbeständigkeit
- zu geringe Verschleißfestigkeit
Herstellungsfehler
- Oberflächenfehler
- Gussfehler
- Gefügefehler
- sonstige
Nenne Schadensfolgen
direkte materielle Verluste
- Instandsetzungskosten
- Ersatzteilbeschaffung
- Erneuerung
indirekte materielle Schäden (Folgeschäden)
- Stillstand einer Anlage
- Produktionsausfall
Personenschäden
Umweltschäden
- Ölpest
- Radioaktive Verseuchung
- Kontamination von Böden
moralische Schadensfolgen
- Bonitätsverlust
Definiere "Schaden"!
Veränderungen an Bauteilen, durch die die vorgesehene Funktion beeinträchtigt/unmöglich gemacht wird
Definiere "Schadensanalyse"!
Systematische Untersuchung zur Ermittlung von Schadensursachen und -ablauf
Definiere "Schadenshypothese"!
durch Erfahrung beeinflusste Leitschnur zur wahrscheinlichen Schadensursache und -ablauf
Definiere "Schadensart"!
Zuordnung zu Schadensmechanismus (Herstellung, Material...)
Definiere "Schadensmerkmale"!
Kennzeichen eines Schadens
Verdeutliche das Vorgehen bei der Durchführung einer Schadensanalyse!
siehe Bild
Was muss bei der Dokumentation einer Schadensanalyse gemacht werden?
- Problembeschriebung (Randbedingungen)
- Detaillierte Beschreibung des Schadensfalles
- Festlegung des Umfangs der Schadensanalyse
- Schadensanalyse
- Sichtung des Tatbestandes, Sicherung der Schadenskomponenten/Fotos
- Laboranalyse (zerstörungsfrei und zerstörend
- Beanspruchungsanalyse
- Aktueller Status der Beweislage
- Schlussfolgerung aus Analyse
Was gehört zur Beurteilung makroskopischer Merkmale?
- Beschreibung des Bauteils
- Konstruktionsmerkmale, Fertigungsart, Oberflächenbehandlung
- Angaben zur Schadenssituation und Benennung des Schadens
- Bruch, Verformung, Korrosion
- Lage, Art und Form von Trennung am Beuteil
- Riss- und Bruchverläufe
- Spuren Thermischer Einflüsse
- Verzug, Anlauf, Zunder
- Merkmale korrosiver Beanspruchung
- flächige, lokale, punktförmige Angriffe
- Merkmale tribologischer Beanspruchung
- Ansteifspuren, Fressspuren, Kavitation
Was sind Risse und deren Ursachen?
- lokale Materialtrennungen in Maschinenteil oder Struktur
- ggf. bereits vor Inbetriebnahme vorhanden bzw entstehen im Verlauf betrieblicher Beanspruchung
- URSACHEN:
- thermisch induzierte Spannungen nach Wärmebehandlung
- schädigungsrelevante Poren in unruhig gegossenen Bauteilen
- Oberflächenriefen infolge mechanischer Bearbeitung
- durch Schmieden bedingte unzureichende Materialanbindung
- Rissensteheung an glatter Oberfläche zu Beginn mikrostruktureller Vorgang infolge Abgleitvorgänge gesteuert durch Hauptschubspannungen
- Anriss in zugbelasteten Bauteilen zu Beginn in der Regel unter 45°
Benenne die Art der Rissentstehung.
siehe Bild
Veranschauliche das System der Rissbildung bzw. Risswachstum.
siehe Bild
Nenne typische Einflussfaktoren für Rissbildung!
- Werkstoffzustand
- zügige oder zyklische Belastung
- thermische Beanspruchung (z.B. Kriechen)
- einmalige Überlast
- Verformungsgeschwindigkeit
- Umgebungsbedingungen (korrosiv...)
- Schmierung von Kontaktflächen
Charakterisiere mechanisch bedingte Risse und Brüche!
siehe Bild
Wie unterscheiden sich Gleit- und Spaltbruch?
siehe Bild
Charakterisiere spröde Gewaltbrüche!
Makroskopisch:
- geringe/keine sichtbare plastische Verformung
- ebene Bruchfläche senkrecht zur Normalspannung
- Bruchfläche körnig (stark reflektierend)
- z.T. faserige Struktur
Mikroskopisch Transkristallin (durch Körner hindurch)
- Stufen, Fließlinien
- Rosetten (wie Spaltbruch)
- Vereinigung vieler kleiner Anrisse
Mikroskopisch Interkristallin (entlang Korngrenzen)
- Korngrenzenflächen
- Verunreinigungen auf Korngrenzen
Charakterisiere zähe Gewaltbrüche!
- hohe spezifische Rissenergie bzw. Risszähigkeit
- langsames Risswachstum
Makroskopisch
- ausgprägte pastische Verformung vor dem Bruch
- mattes, seidiges Bruchaussehen
- Scherlippen
- Einschnürung
Mikroskopisch
- Wabenbruch
- Porenbildung um Einschlüsse (hohe Spannungskonzentration)
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Lernkarten
Was ist der Ansporn der Bruchmechanik?
- Schaffung eines Schadenstoleranten Designs (technische Strukturen enthalten immer Fehler!)
- vorhandener Fehler darf nicht zum Versagen führen
- kontrolliertes Risswachstum -> Überwachung -> Reparatur
- klassische Kriterien der Festigkeitsberechnung -> bei Rissen unbrauchbar
- spezielle Bruchkonzepte nötig!
Welche Aufgaben ergeben sich für die Bruchmechanik?
- Ermitteln von Bedingungen unter denen ein Bauteil versagt (Kritische Risslänge, - Belastung)
- Auswahlkriterien für geeignete Werkstoffe
- Lebensdauerberechnung für schwingende Belastung
- Angaben von sinnvollen Inspektionsintervallen auf Basis des zu erwartenden Risswachstums
Beschreibe das Berechnungsmodell für Risse!
- Ursprung nach Kolosov mittels komplexer Spannungsfunktion (1909)
- unendlich große Scheibe, einachsiger Spannungszustand, elliptisches Loch, linear-elastisches Material
- Weiterentwicklung durch Griffith
- elliptisches Loch entarten lassen zu schmalem Schlitz (Halbachse b -> 0)
- Betrachtung der unmittelbaren Rissspitzenumgebung
- => Vernachlässigung Terme höherer Ordnung möglich
- Einführung der Konstate KI (Spannungsintensitätsfaktor) - beschreibt Intensität des Spannungsfeldes an Rissspitze
- => \(K_I = {σ \sqrt{πa} }\) => \(K_I = {σ \sqrt{πa}Y_I ({a \over w})}\)
- mit YI (a/w) als Geometriefunktion, die Rissform, -Lage und Bauteil berücksichtigt
- Gültigkeit der Lösung örtlich begrenzt
- von Rissspitze weg gewinnen vernachlässigte Terme an Bedeutung
- zur Rissspitze hin Spannung theoretisch -> \(\infty\)
Wie wird die linear-elastische Bruchmechanik in der Praxis umgesetzt?
- Zugbelastung einer Probe quasistatisch bis Bruch
- Aufzeichnung Kraft-Rissaufweitungsdiagramm
- Anlegen Tangente an Kraft-Rissaufweitungs-Kurvenverlauf
- Linie mit 5% Neigung zur Tangente
- Schnittpunkt aus 95% Sekante mit Kurve ergibt FQ - Wert -> wichtig für Spannungsintesitätsfaktor
Was ist bei der Versuchasuwertung der linear-elastisachen Bruchmechanik zu beachten?
- Risslänge der gebrochenen Probe ermitteln
- da i.A. gekrümmte Rissfront -> Messung an 3 Punkten im Abstand t/4 über Rissdicke
- Differenz der Einzelmessungen darf max. 10% von mittleren Risslänge abweichen
- Risslänge an Oberfläche darf max. 15% von mittleren Risslänge betragen
Wie ist schweißen definiert?
- Das Vereinigen von Werkstoffen in der Schweißzone unter Anwendung von Wärme und/oder Kraft mit/ohne Schweißzusatz (DIN 1910)
Unterscheide schweißen nach den verschiedenen Wirkprinzipien!
siehe Bild
Welche konkreten Verfahren gehören zu den Schweißverfahrensgruppen?
Schmelzschweißverfahren
- Gasschmelzschweißen
- Lichtbogenschweißen
- Strahlschweißen
- Laserstrahlschweißen
- Elektroponenstrahlschweißen
- Ionenstrahschweißen
Pressschweißverfahren
- Widerstandsschweißen
- Reibschweißen
Wovon ist die Schweißbarkeit eines Bauteils abhängig?
siehe Bild
Was sind typische fertigungsbedingte Schweißnahtfehler?
- (Nicht-)Durchlaufende Einbrandkerbe
- Wurzelkerbe
Was ist die Wärmeeinflusszone?
- Schweißeignung eines Werkstoffes vor allem durch Beeinflussung dessen Eigenschaften durch hohen Wärmeeintrag in Fügezonebestimmt
Wovon ist die Aufhärtungsneigung (Martensitbildung) abhängig?
- Geometrie des Bauteils
- Streckenenergie
- Temperaturgradient
- Legierungselemente
=> Kohlenstoffäquivalent CE (niedrig legierte Stähle)
Was ist das Kohlenstoffäquivalent?
- Ein Maß für die Schweißeignung von Stählen
- mittels empirisch ermittelter Gleichungen
- CE ~ 0,45 -> gut schweißgeeignet (ohne Vorwärmen)
- CE bis 0,6 -> bedingt schweißgeeignet (mit Vorwärmen auf 100-200°C)
- CE > 0,6 -> nicht schweißgeeignet (ggf. mit Vorwärmen auf 200-300°C)
Klassifiziere Schweißnahtfehler!
siehe Bild
verdeutliche Schweißnahtfehler grafisch!
siehe Bild
Was sind typische Formen von Kaltrissen?
- entstehen in letzter Phase der Abkühlung oder Zeitverzögert
- Aufhärtungsrisse
- schnelle Abkühlung (Aufhärtung -> Martensitbildung)
- vermindern Verformbarkeit
- Lamellenrisse
- parallel zu Blechoberfläche
- nur bei Blech wegen Gefügezeiligkeit durch Walzen
- (Terrassenbruch)
- nichtmetallische Einschlüsse im Rohstahl -> gewalzt (flach ausgeformt)
- Zugbeanspruchung in Werkstoffdickenrichtung => Terrassenbruch
- Wasserstoffrisse
- Diffusionsvorgänge im Wasserstoff -> verzögerter Bruch
- Kennzeichen: Mikroporen, klaffende Korngrenzen...
- Aufhärtungsrisse
Erkläre Heißrisse!
- entstehen während Schweißen (Abkühlung - Übergang fest/flüssig)
- verlaufen interkristallin
- treten in Verbindung mit niedrigschmelzenden Verbindungen auf
- Arten:
- Erstarrungsrisse
- Wiederaufschmelzungsrisse
Wie werden Schweißnahteigenspannungen analysiert?
zerstörungsfrei (indirekt, ohne Entspannung)
- Rhöntgendiffraktion
- Ultraschall
- Neutronendirffraktion
teil-zerstörend (teilweise Entspannung)
- Bohrlochmethode
- Härtemessungen
zerstörend (Entspannung)
- Aufschneiden
- Ausbohren
Was ist Korrosion?
Reaktion eines metallischen Werkstoffes mit seiner Umgebungdie eine Messbare Veränderung des Werkstoffes bewirkt und zu einem Korrosionsschaden führen kann
Was ist ein Korrosionsschaden?
Beeinträchtigung der Funktion eines metallischen Bauteils oder ganzen Systems durch Korrosion
Was ist eine Korrosionserscheinung?
messbare Veränderung eines metallischen Werkstoffes
Was ist Korrosionsschutz
Maßnahmen zur Verhinderung eines Korrosionsschadens
Beschreibe die Grundvorgänge der Korrosion!
siehe Bild
Was passiert bei der Sauerstoffkorrosion?
siehe Bild
Was ist eine Galvanische Kurzschlusszelle?
siehe Bild
Was sind typische Einflussparameter für Korrosion?
Werkstoffeinflüsse
- unterschiedliche Metalle (edel/unedel)
- Inhomogenität (Risse, Einschlüsse, Korngrenzen)
Medieneinflüsse
- Konzentrationsunterschiede
- Phasenunterschiede (Tropfen, Dreiphasengrenze...)
Temperatur
Strömungen
Nenne typische korrosive Erscheinungsformen!
- (ebenmäßige) Flächenkorrosion
- Narben-, Furchenkorrosion
- Lochfraß
- interkristalline Spannungsrisskorrosion
- Transkristalline Rissbildung
