Schadenskunde

• auch Ermüdungsbruch
• entsteht durch zyklische Belastung
• Wachstum von Schwingungsrissen, ausgehen von einem oder mehrere Anrissen (lokale Spannungsüberhöher, meist von der Oberfläche aus)
• Versagen des Restquerschnitts (Gewaltbruch) aufgrund der stetig steigenden Spannungen
• i.d.R. plastische Verformung vor der Rissspitze -> verformungsreicher Schwingbruch
• bei spröden Werkstoffen -> verformungsarmer Schwingbruch
• makroskopisch keine plastische Verformung erkennbar!

• Spannungen meist am größten (z.B. Biegung)
• fast immer Kerben vorhanden, bildung von Mikrokerben (Gleitstufen) durch Gleitvorgänge aufgrund der Belastung
• für korrosives Medium zugänglich

1. Verfestigungs- und/oder Entfestigungsvorgänge im ganzen Probenvolumen
2. Mikrorissbildung und Entwicklung eines Makrorisses im Oberflächenbereich
3. stabile Makrorissausbreitung
4. instabile Makrorissausbreitung → Gewaltbruch

• Spannungsintensitätsfaktor K_I beschreibt Spannungsfeld vor der Rissspitze
• zyklische Beanspruchung -> Spannungsintesitätfaktor schwingt
• Schwingbreite des K_I steigt mit jeder vergrößerung der Risslänge a
• Rissausbreitungsgeschwindigkeit steigt (da/dN)

• logarithmisch aufgetragene Rissausbreitungsgeschwindigkeit da/dN
• logarithmisch aufgetragene Schwingbreite des Spannungsinteensitätsfaktors ΔK

1. Bereich I: ΔK < ΔK₀ -> kein Risswachstum
2. Bereich II: ΔK₀ < ΔK < ΔK_C -> stabiles Risswachstum es gilt die Paris-Gleichung
3. Bereich III: ΔK > ΔK_C -> instabile Rissausbreitung -> Versagen

Paris-Gleichung: da/dN = C(ΔK)^m

^{Wobei C und m werkstoffabhängig sind!}

• Werkstoffverhalten (duktil oder spröde)
• Bruchlastspielzahl:
  • Kurzzeitfestigkeitsbereich (N_B < 10³) -> Gewaltbruch
  • Zeitfestigkeitsbereich (N_B < 10⁶) -> Zeitbruch
  • Wechselfestigkeitsbereich (N_B > 10⁶) -> Dauerbruch
• duktil: mit zunehmnder Lastspielzahl nimmt die makrosk. plast. Verformung ab
• spröde: sowohl statisch wie dynamisch erfolgt ein verformungsloser Bruch

• feine, erkennbare Linien bzw. unterschiedliche Bereiche auf der Bruchfläche, verlaufen senkrecht zur Rissausbreitung
• entstehen durch eine Pause oder starke Erhöhung/Ernidrigung in der zyklischen Beanspruchung
• Wenn Rastlinien vorhanden sind, handelt es sich sicher um einen Dauerbruch. Es gibt jedoch auch Dauerbrüche, die keine Rastlinien erkennen lassen.

• Restbruchanteil:
  • groß -> hohe Beanspruchung
  • klein -> niedrige Beanspruchung
• Bruchfläche:
  • eben -> vorwiegend einachsige Beanspruchung
  • geneigt -> mehrachsige Beanspruchung
  • ----
  • glatt -> ebender Spannungszustand
  • zerklüftet -> mehrachsiger oder wechselnder SZ
  • ----
  • gleichmäßig durchgehend -> überwiegend gleichmäß. Belastungszustand
  • Rissteilflächen -> wechselnde Beanspruchungsverhältnisse
  • ----
  • grobkörnig (glänzend) -> grobkörn. Gefüge oder Spaltbruchflächen, schneller Rissfortschritt
  • feinkörnig (matt) -> feinkörn. Gefüge, transkristalliner, langsamer Rissfortschritt

• Schwingstreifen (Furchen charakterisieren im Idealfall den Rissfortschritt von LW zu LW)
  • bei sehr kleiner Rissausbreitungsgeschw. keine Schwingstreifen (REM kann sie nicht Auflösen)
  • Abstand der Schwingstreifen wächst mit zunehmender Belastung (Richtung Restbruch)
• Riefenstruktur bei mittleren da/dN und Zugschwellbeanspruchung
• Wabenstruktur bei großen da/dN und hoher Belastung von duktilen Werkstoffen
• bei hereogenen Wekrstoffen mit spröden Phasen: neben Riefenstruktur auch Spaltflächen
• Spaltflächen in der Dauerbruchfläche nehmen zu, wenn T nahe T_Ü bzw. hohe Verformungsgeschwindigkeit
• „tyre tracks“: harte, losgelöste Teilchen, die beim Schließen des Risses in die Oberfläche der Rissufer gedrückt werden und dort Spuren hinterlassen

bei einem passiven Werkstoff wird durch Oxidation eine geschlossene, elektronenundurchlässige Oxidschicht an der Oberfläche gbildet, die weitere Oxidation verhindert

Metalle, die die Passivierbarkeit fördern sind: Cr, Ti, Ni, Al

• Gleichmäßige Flächenkorrosion
• Muldenkorrosion (lokal unterschiedliche Korrosionsgeschw. druch z.B. inhomogene Deckschicht, Werkstoffinhomogenitäten)
• Kontaktkorrosion (Berührung von unterschiedlichen Metallen -> unedlere wird zur Anode und korrodiert)
• Spaltkorrosion (Konzentrationsunterschiede im korrosiven Medium, Sauerstoffverarmung im Spalt)
• Lochkorrosion (tritt besonders durch Halogenide bei Anwesenheit von Oxidationsmitteln auf (zB. Salzwasser) bei passiven Metallen auf)
• Interkristalline Korrosion (KG oder KG-nahe Bereiche werden angeggriffen z.B. durch Chromveramrung (Bildung von Chromkarbiden an den KG in der WEZ) verminderte Korrosionsbeständigkeit
• Spongiose (selektive Korrosion von GJL (Guss mit Lamellengraphit) unter Auflösung von Ferrit/Perlit und zurücklassen des Graphitgitters)

Rissbildung unter quasi-statischer Zugbeanspruchung (= sowohl Last- als auch Eigenspannungen z.B. in WEZ) und Einwirkung eines korrosiven Mediums (z.B. Meerwasser) an Werkstoffen, die sich gegenüber dem Angriffsmedium passiv verhalten

• keine Korrosionsprodukte in erkennbaren Mengen
• keine makroskopischen plastischen Verformungen

so

1. transkristalline Rissausbreitung (typischerweise mit Verzweigungen)
   • bei nichtrostenden austenitischen Stählen in Korrosionsmedien mit CL^- Ionen
   • bei Ti-Legierungen und Ni-Basislegierungen in alkalischen Substanzen
2. interkristalline Rissausbreitung
   • bei hochfesten Al-Legierungen
   • Cu und Cu-Legierungn

• Sonderfall der SpRK bei un/niedriglegierten kohlenstoffarmen Stählen in Laugen, Nitraten, Carbonaten
• verhalten sich gegeüber Laugen passiv -> bilden Schutzschicht
• durch Randentkohlung kommt es zu transkristalliner SpRK (Fe₃C^III (aus Ferrit/α) lagert sich an KG)
• Abhilfe: C-Gehalt 0,02 - 0,8%  -> Ferrit-Perlitisches Gefüge (Perlit = α +Fe₃C^II) -> Fe₃C^III lagert sich an Fe₃C^II

• passender Werkstoff
• passendes Medium
• mechanische Belastung

wenn nicht alle 3 Bedingungen erfüllt sind -> keine SpRK

• durch Korrosion enstehen Korrosionsnarben (Mulden, Lochfaß)
• bei schwingeder Beanspruchung wirken diese als Kerben von denen Ermüdungsrisse ausgehen
• konsekutiv (d.h. ein Vorgang nach dem anderen): z.B. zuerst Korrosion, dann Ermüdung
• simultan (d.h. gleichzeitig): Korrosion + mechanische Schwingbeanspruchung
• unter den Bedingungen der SchRK existiert keine Wechsel- bzw. Dauerfestigkeit
• Schädigung durch SchRK ist im Gegensatz zur SpRK im aktiven und im passiven Zustand möglich

• aktiv: Gleitlinien treten in eine erste Wechselwirkung mit dem Elektrolyten
• passiv: Passivschicht reißt auf, wenn es an der Oberfläche zum Durchtritt besonders starker Gleitebenen kommt (Ermüdungsgleitbänder)

1. Gleitlinien wirken als Anode eines „Lokalelements“
2. Metallauflösung mit erhöhter Geschwindigkeit
3. Mikrokerben
4. beschleunigte stabile Rissausbreitung unter Wirkung des korrosiven Mediums,
5. instabile Rissausbreitung und Bruch

• Verminderung der chemischen und/oder der schwingenden Beanspruchung
• Erhöhung des Werkstoffwiderstandes gegenüber der Korrosiven (Wahl eines korrosionsbeständigeren Werkstoffes bzw. Werkstoffzustandes) und/oder der mechanischen (schwingenden) Beanspruchung (Erhöhung der Dauerfestigkeit, Kugelstrahlen)

Wichtig: 

• Erhöhung der Dauerfestigkeit (z.B. durch Vergüten oder Oberflächenverfestigen) führt bei einem aktiven Werkstoff nur dann zur Verringerung der SchRK, wenn gleichzeitig die Korrosionsbeständigkeit durch Auswahl anderer Legierungselemente verbessert wird
• bei passivem Werkstoff: SchRK verhindern durch: Spannungsamplitude verringern und/oder Zugmittelspannung verringern

• Beurteilung und Klassifizierung der Schäden (Beurteilen)
• Ermittlung der direkten Schadensursache (Untersuchen)
• Rückschlüsse und Maßnahmen zur Vermeidung künftiger Schäden (Vermeiden)

Entscheidend: Ermittlung des direkten Schadens, obwohl die Folgeschäden
meistens ungleich größer sind.

• Sorgfalt der Planung
• Art und Umfang der einzelnen Untersuchungsschritte
• Qualität der Untersuchungsdurchführung

Zeitlich zuerst eingetretener Schaden, der Ursache für weitere Schäden (Sekundärschäden, Tertiärschäden…) ist.

Schaden, der durch einen vorangegangenen Schaden am gleichen oder einem anderen Produkt ausgelöst wird. Folgeschäden verursachen oft höhere Kosten als Primärschäden selbst.

Abweichung einer Eigenschaft von einem Sollzustand, die jedoch (noch) nicht zu einer maßgeblichen Einschränkung von Funktionen geführt hat, aber Ursache für einen Schaden werden kann.

Einflussfaktoren, die zwar eine Auswirkung auf die Schadensentstehung und -ausprägung haben, jedoch isoliert nicht ursächlich sind.

Produkt bzw. Probestück eines Produktes zum „Ist/Soll-Vergleich“ mit dem schadhaften Produkt. Es ist stets zu hinterfragen, inwieweit das Referenzprodukt Bezug für das schadhafte Produkt ist. Gründe für das Heranziehen eines Referenzproduktes sind zu benennen. (auch Vergleichsprobe)

Veränderungen an einem Produkt, durch die eine oder mehrere seiner vorgesehenen Funktionen wesentlich beeinträchtigt oder unmöglich gemacht werden.

Zeitliche Entwicklung des Schadens.

Aufnahme, Bewertung und Dokumentation der Schadensvorgeschichte

Abfolge werkstofflicher Ereignisse, die einzeln oder kombiniert unter Berücksichtigung des Schadensumfeldes zum Schaden führen. Hier spielt die Reaktion von Werkstoffen auf äußere Belastungen eine zentrale Rolle.

Äußeres, offensichtliches bzw. augenscheinliches Erscheinungsbild des beschädigten Produkts bzw. einer fehlenden Funktionalität.

Die Gesamtheit der Rahmenbedingungen, unter denen der Schaden entstanden ist.

Charakteristisch erscheinende Kennzeichen eines Schadens

Position des Schadens am Produkt mit dem Primärschadensbereich

Summe der schadensauslösenden Einflüsse

Hierbei wird zwischen primären Ursachen und sekundären, schadens- bzw. fehlerbegünstigenden Umständen unterschieden.

Vorbeugende Maßnahmen gegen das Auftreten von weiteren Schäden

Früher am Produkt oder im Umfeld erfolgte Funktionseinschränkung, die möglicherweise die Funktion noch nicht signifikant beeinträchtigt hat.

• Anlagenart, Herstellungsdatum, Anlagenhersteller
• Gewerbezweig, Betriebsort, Betreiber
• Inbetriebnahmedatum, Einsatzbedingungen, Betriebszeit, Zeitpunkt von Revisionen und Fremdüberwachungen, Prüfbescheinigungen