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Schadenskunde

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Nic Herrmann
Lernen
Nic Herrmann
Diese Lernkarten behandeln auf Universitätsniveau die Schadenskunde von Werkstoffen und Bauteilen. Sie konzentrieren sich auf Schadensarten wie Korrosion, Verformung und Rissausbreitung, sowie auf die Untersuchung und Prüfung von Werkstoffen. Besonders relevant sind Themen wie Spannungsrisskorrosion und Schwingungsrisskorrosion, die durch Belastung und korrosive Medien entstehen. Die Karteikarten eignen sich für Studierende und Ingenieure, die sich mit der Analyse und Vermeidung von Materialschäden beschäftigen.
Karten
74
Lernende
2
Sprache
Deutsch
Kategorie
Technik
Stufe
Universität
Erstellt / Aktualisiert
06.04.2015 / 27.06.2015
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Cartes-fiches

Welche Vergleichspannungshypothesen kennen sie? Wofür werden diese eingesetzt?

  • Normalspannungshypothese σV(N) = σ1  z.B. bei Versagen durch Sprödbruch
  • Schubspannungshypothese σV (S) = σ1 - σ3 = 2τmax  z.B. bei Versagen druch plast. Verformung oder duktiler Bruch
  • Gestaltänderungshypothese bei Versagen durch Ermüdungsbruch

Wie beeinflussen mehrachsige Spannungszustände das Versagensverhalten?

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  • Fließbehinderung durch gleichsinnige Hauptspannungen
  • Erhöhung der Fließgefahr durch ungleichsinnige Hauptspannungen

Was bedeutet Sicherheit und wie lässt sie sich quantitativ beschreiben?

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Sicherheit ist dann die Wahrscheinlichkeit, mit der ein Bauteil während eines Einsatzes nicht versagt: WV = Versagenswahrscheinlichkeit (Statistik!)

Was ist hinsichtlich der Versagensbetrachtung bei kerbbehafteten Bauteilen zu beachten?

Kerbe -> mehrachsiger Spannungszustand

Formzahldiagramme die die Spannungsüberhöhung im Kerbgrund beschreibt

  • Werkstofftyp I: spröder Werkstoff (zB. martensitischer Stahl) -> Trennbruch durch Spannungsüberhöhung
  • Werkstofftyp II: z.B. hochfeste Vergütungsstähle -> normalerweise duktiles Bruchverhalten, bei größerem αK infolge Fließbehinderung durch mehrachsigen SZ -> Trennbruch möglich
  • Werkstofftyp III: duktiler Werkstoff (z.B. Baustahl) Rm steigt infolge der Fließbehinderung durch mehrachsigen SZ

Wie wirken sich Kerben bei schwingender Beanspruchung aus? (duktiler Werkstoff)

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gesteigerte Zugfestigkeit durch mehrachsigen SZ

Wechselfestigkeit wird i.d.R. verringert, Kerbe -> Anriss

Ausnahme sind spezielle Werkstoffe

Was ist hinsichtlich der Versagensbetrachtung bei rissbehafteten Bautelen zu beachten?

  • oft ungewollt rissbehaftete Bauteile (Härterisse, Schweißrisse)
  • Versagensbetrachtung unter beruchmechanischen Gesichtspunkten
  • SZ an der Rissspitze durch Spannungsintentitätsfaktor KI beschrieben
  • Versagen wenn  KI einen kritischen Wert erreicht ( KI =  KIc = Risszähigkeit)
  • für die meisten hochfesten Werkstoffe gilt: steigt ReS, sinkt KIc
  • bei zyklischer Beanspruchung: zyklische Spannungsintensität ΔK

 

Was ist bei der Versagensbetrachtung eigenspannungsbehafteter Bauteile zu beachten?

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  • ES fast immer vorhanden! Im Betrieb überlagern sich ES mit der Last -> ES (wenn möglich) bei der Versagebsbetrachtung berücksichtigen!
  • Starker Einfluss der ES auf das Dauerschwingverhalten (Zugeigenspannungen begünstigen Rissausbreitung, Druckeigenspannungen vermindern!)

Wie entstehen Wärmebehandlungseigenspannungen?

Makro-ES: (Eigenspannungen I. Art)

  • Thermo-ES durch ungleichmäßiges Abkühlen
  • Umwandlungs-ES durch unterschiedliche Abkühlgeschwindigkeiten -> inhomogene Martensitbildung

Mikro-ES:

  • Eigenspannungen II. Art: nachträgliche Restaustenitumwandlung
  • Eigenspannungen III. Art: Gitterverzerrung des Martensit

Wie wird die duktile Modifikation des Gewaltbruchs bezeichnet? Was sind die wichtigsten Merkmale?

Gleitbruch, Verformungsbruch, Wabenbruch

  • entsteht durch plastische Verformung durch abgleiten der Ebenen maximaler Schubspannungen
  • sehr verformungsreicher Bruch mit hohem Energieverbrauch
  • Unterscheidung in trans- und interkristallinen Gleitbruch
  • gekennzeichnet durch äußere und innere Einschnürung (Waben)
  • Bruch entlang Ebenen größter Schubspannung -> 45° bei Normalspannung (Kegel-Tasse) - 90° bei Torsionsbelastung

Wie wird die spröde Modifikation des Gewaltbruchs bezeichnet? Was sind die wichtigsten Merkmale?

Spaltbruch, Trennbruch, Sprödbruch

  • keine makroskopische plastische Verformung
  • entsprechend geringer Energieverbrauch beim Bruch
  • Unterscheidung in trans- und interkristallinen Spaltbruch
  • Rissausbreitung transkristallin entlang {100} Spaltflächen oder interkristallin, bei gschwächten KG
  • Bruchfläche senkrecht zu größter Normalspannung

Was sind die makroskopischen Merkmale eines Sprödbruchs?

  • keine bleibende plastische Verformung
  • glatte, ebene Bruchfläche, "kristallines", glänzendes Aussehen
  • Bruchfläche ist senkrecht zur größten Hauptnormalspannung (90° bei Zug, 45° bei Torsion)
  • oft sind Bruchlinien zu erkennen, deren Verlauf auf den Bruchanfang hindeutet
  • der Bruchausgang wird durch Kerben oder lokale Spannungserhöher begünstigt (innere Kerben: Einschlüsse, Lunker, Mikrorisse)

Was sind die mikroskopischen Bruchmerkmale eines transkristallinen Sprödbruchs?

  • Bruchfläche verläuft längs definierter kristallographischer Ebenen -> Spaltebenen
  • Spaltflächen sind unterschiedlich orientiert (unterschiedliche Körner)
  • Spaltflächen haben linienförmige Strukturen (Spaltmuster oder Flussmuster)
  • Spaltbrüche entstehen an Stellen, an denen die kristallographische Gleitung behindert wird (Korngrenzen, Subkorngrenzen, blockierten Zwillingen, blockierten Gleitebenen und Fremdteilen, spröden Korngrenzenausscheidungen)

Was versteht man unter einem Quasispaltbruch?

  • Spaltfläche mit verformten Graten
  • makroskopischer Bruch erfolgt verformungslos
  • mikroskopisch eindeutig Anzeichen plastischer Verformung

Unter welchen Einflüssen kann es bei eigentlich duktilem Werkstoffverhalten zum Spaltbruch kommen?

  • Spannungsversprödung: Fließbehinderung durch gleichsinnigen mehrachsigen SZ
  • Geschwindigkeitsversprödung: Versetztungsbewegung im krz-Gitter wird erschwert (gilt nicht für kfz)
  • Kaltversprödung: starker Abfall der Kerbschlagzähigkeit bei tiefen Temperaturen (nur krz)
  • inhomogene Werkstoffzustände: Schwächung der Korngrenzen durch harte oder weiche Phasen, nichtmetallische Einschlüsse als Spannungsüberhöher, Netzförmiges Gefüge, Seigerungen (Entmischungen)
  • Diffusions, Ausscheidungs, Härtungsvorgänge: martensitische Werkstoffzustände in der WEZ von Schweißverb., unerwünschte Ausscheidungsvorgänge von Fe4N durch Alterung, Wasserstoffversprödung

Was versteht man unter einem Schwingbruch und welche Besonderheiten hat sein Erscheinungsbild?

  • 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!

Wieso ist beginnt die Rissbildung bei Ermüdungsbrüchen i.d.R. immer an der Werkstoffoberfläche?

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

Wie gestaltet sich der zeitliche Ablauf von Ermüdungsbrüchen?

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

Wie lässt sich die zyklische Makrorissausbreitung beschreiben?

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

 
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Was zeigt folgendes Diagramm! Was wurde auf den Achsen aufgetragen? Was geschieht in den Bereichen I, II und III? Beschrifte die gekennzeichneten Bereiche!

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  • logarithmisch aufgetragene Rissausbreitungsgeschwindigkeit da/dN
  • logarithmisch aufgetragene Schwingbreite des Spannungsinteensitätsfaktors ΔK
  1. Bereich I: ΔK < ΔK0 -> kein Risswachstum
  2. Bereich II: ΔK0 < ΔK < ΔKC -> stabiles Risswachstum es gilt die Paris-Gleichung
  3. Bereich III: ΔK > ΔKC -> instabile Rissausbreitung -> Versagen

Wie lässt sich die unterkritische Makrorissausbreitung bei zyklisch belasteten Bauteilen beschreiben?

Paris-Gleichung: da/dN = C(ΔK)m

Wobei C und m werkstoffabhängig sind!

Von was ist der Bruchverlauf und das Bruchaussehen eines Ermüdungsbruchs abhängig?

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

Was versteht man unter Rastlinien und wie entstehen diese?

  • 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.

Nenne makroskopische Bruchmerkmale eines Ermüdungsbruch und ihre möglichen Ursachen!

  • 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

Was sind typische mikroskopische Bruchmerkmale für einen Dauerbruch?

  • 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 TÜ bzw. hohe Verformungsgeschwindigkeit
  • „tyre tracks“: harte, losgelöste Teilchen, die beim Schließen des Risses in die Oberfläche der Rissufer gedrückt werden und dort Spuren hinterlassen

Was versteht man unter einem aktiven bzw passiven Werkstoff?

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

Welche Arten von Korrosion (ohne zusätzliche mechanische Belastung) gibt es?

  • 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)

Was versteht man unter Spannungsrisskorrosion?

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

Wie läuft der Schädigungsmechanismus einer SpRK ab?

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so

Wie ist das mikroskopische Erscheinungsbild bei einer SpRK?

  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

Was versteht man unter Laugenrisssprödigkeit?

  • 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 (Fe3CIII (aus Ferrit/α) lagert sich an KG)
  • Abhilfe: C-Gehalt 0,02 - 0,8%  -> Ferrit-Perlitisches Gefüge (Perlit = α +Fe3CII) -> Fe3CIII lagert sich an Fe3CII

 

Welche Voraussetzungen gelten für SpRK?

  • passender Werkstoff
  • passendes Medium
  • mechanische Belastung

wenn nicht alle 3 Bedingungen erfüllt sind -> keine SpRK

Was versteht man unter Schwingungsrisskorrosion?

  • 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

Wie verläuft der Schädigungsmechanismus bei der SchRK ab?

  • 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

Wie lässt sich SchRK vermeiden?

  • 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

Étudier