Systematische Beurteilung technischer Schadensfälle · 5.1 Definition und Erscheinungsformen 79...

Systematische Beurteilung technischer Schadensfälle

Herausgegeben von Günter Lange und Michael Pohl

Sechste Auflage

Herausgegeben vonGünter Lange undMichael Pohl

Systematische Beurteilungtechnischer Schadensfälle

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Herausgegeben von

Günter Lange undMichael Pohl

Systematische Beurteilung technischerSchadensfälle

Sechste Auflage

AutorProf. Günter Lange†38106 Braunschweig

Prof. Michael PohlRuhr-Universität BochumInst.Werkstoffe, Geb. IA 1/152Universitätsstr. 15044801 Bochum

6. Auflage 2014

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Inhaltsverzeichnis

Vorwort zur 6. Auf lage XIII

Vorwort zur 1. Auf lage XV

1 Vorgehensweise bei der Bearbeitung eines Schadensfalles 11.1 Aufgaben und Ziele der Schadensanalyse 11.2 Vorgehensweise 21.3 Schadensaufnahme und Beweissicherung 21.4 Informationen über den Schadensfall 31.5 Durchführung 4

2 Einteilung, Ursachen und Kennzeichen der Brüche 132.1 Brucharten 132.2 Definitionen der Brucharten 142.3 Bruchursachen 182.4 Allgemeine Kennzeichen für Bruch- und Beanspruchungsart 20

3 Werkstoffuntersuchungen 253.1 Mechanische Werkstoffprüfung 263.2 Metallografische Werkstoffuntersuchungen 353.3 Chemische Werkstoffuntersuchungen 393.4 Zerstörungsfreie Werkstoffuntersuchungen 393.5 Bewertung und Messungen von Eigenspannungen 44

4 Elektronenmikroskopie bei der Schadensanalyse 494.1 Systematik elektronenmikroskopischer Schadensanalyse 494.2 Grundlagen der Elektronenmikroskopie 504.3 Geräte 524.3.1 Transmissionselektronenmikroskop (TEM) 524.3.2 Rasterelektronenmikroskop (REM) und Mikrosonde (MS) 544.3.3 Elektronenstrahlmikroanalyse (ESMA) 564.3.3.1 Wellenlängendispersive Spektrometer 56

V


4.3.3.2 Energiedispersive Spektrometer (EDS) 584.3.3.3 Anwendung der ESMA 584.3.4 Rückstreu-Elektronenbeugung (Electron Backscattered Diffraction,

EBSD) 594.3.5 Weitere Analyseverfahren 624.3.6 Abbildungsverfahren 654.3.6.1 Sekundärelektronenabbildung 654.3.6.2 Rückstreuelektronenabbildung 664.4 Präparations- und Untersuchungsverfahren 684.4.1 Oberflächenuntersuchungen 694.4.2 Untersuchungen des Werkstoffinneren 694.4.3 Fraktografische Untersuchungen 724.4.4 Focussed Ion Beam (FIB) 734.4.5 Untersuchung von Pulvern 734.4.6 TEM-Untersuchungen 754.4.7 Quantitative Bildanalyse 764.4.8 Quantitative Elektronenstrahlmikroanalyse 764.5 Zusammenfassung 77

5 Mikroskopische und makroskopische Erscheinungsformen des duktilenGewaltbruches (Gleitbruch) 79

5.1 Definition und Erscheinungsformen 795.2 Trichter-Kegel-Bruch 815.3 Fräserförmiger Bruch 905.4 Scherbruch 915.5 Ausziehen zur Spitze 965.6 Einfluss von Werkstoff und Beanspruchung auf die Wabenform 97

6 Makroskopische und mikroskopische Erscheinungsformen desSpaltbruches 103

6.1 Einleitung 1036.2 Phasen des Bruchvorganges 1036.3 Kennzeichnung von Spaltbrüchen 1046.4 Makroskopische Bruchmerkmale 1046.5 Mikroskopische Bruchmerkmale 1066.5.1 Transkristalliner Spaltbruch 1076.5.2 Interkristalliner Spaltbruch 1136.5.3 Mischbrüche 1156.5.4 Spaltbrüche in martensitischen Werkstoffzuständen 1156.5.5 Verwechselungsmöglichkeiten 1166.5.6 „Quasi-Spaltbruch“ 1186.6 Bauteilversagen durch Spaltbruch 120

VI Inhaltsverzeichnis


7 Makroskopisches und mikroskopisches Erscheinungsbild desSchwingbruches 127

7.1 Definition und generelle Bemerkungen 1277.2 Makroskopisches Erscheinungsbild 1287.2.1 Anriss 1287.2.2 Schwingungsriss 1367.2.3 Restbruch 1377.2.4 Charakteristische Bruchflächen 1387.3 Abhilfemaßnahmen 1397.4 Mikroskopische Mechanismen und Topografien 1407.5 Beispiele 1597.5.1 Steifigkeitssprünge 1597.5.2 Oberflächenfehler 1767.5.3 Schwingbrüche an ausgewählten Bauteilen 1917.5 Anhang 2197.5.3 Analyse von 250 Schadensfällen an Luftfahrzeugen 219

8 Thermisch induzierte Brüche 2218.1 Anforderungen an Werkstoffe für den Einsatz bei erhöhter

Betriebstemperatur 2218.2 Warmfestigkeit 2218.2.1 Brandschäden 2238.3 Kaltrisse 2258.3.1 Aufhärtungsrisse 2258.3.2 Unterplattierungsrisse 2268.4 Heißrisse 2288.4.1 Erstarrungsrisse 2288.4.2 Aufschmelzungsrisse 2288.4.3 Heißrissverursachende Phasen 2318.5 Zeitstandfestigkeit 2318.5.1 Gefügeveränderungen 2338.5.2 Zeitstandporen 2378.5.3 Zeitstandbrüche 2418.5.4 Restlebensdauer 2438.6 Härterisse 2458.7 Thermische Ermüdung 2458.8 Zusammenfassung 248

9 Korrosionsschäden an metallischen Werkstoffen ohne mechanischeBelastung 251

9.1 Einleitung 2519.2 Korrosion 2529.3 Korrosionserscheinungsformen ohne mechanische Belastung 2619.3.1 Gleichmäßige Flächenkorrosion 2619.3.2 Muldenkorrosion 262

Inhaltsverzeichnis VII


9.3.3 Lochkorrosion 2629.3.4 Spaltkorrosion 2659.3.5 Kontaktkorrosion (galvanische Korrosion) 2669.3.6 Taupunktkorrosion 2679.3.7 Stillstandskorrosion 2679.3.8 Sauerstoffkorrosion 2689.3.9 Selektive Korrosion 2689.3.9.1 Interkristalline Korrosion 2689.3.9.2 Spongiose 2719.3.9.3 Entzinkung 2729.3.10 Mikrobiologische Korrosion 2729.4 Untersuchungen zum Korrosionsverhalten 272

10 Korrosionsschäden an metallischen Werkstoffen bei überlagertermechanischer Beanspruchung 277

10.1 Einleitung 27710.2 Rissbildende Korrosionsarten 27710.2.1 Anodische Spannungsrisskorrosion 27810.2.1.1 Schadensbeispiele 28110.2.2 Schwingungsrisskorrosion 28710.2.2.1 Schadensbeispiel 28810.2.3 Dehnungsinduzierte Spannungsrisskorrosion 28910.2.3.1 Schadensbeispiel 29010.2.4 Lotrissigkeit 29110.2.4.1 Schadensbeispiel 29110.2.5 Kathodische Spannungsrisskorrosion 29210.2.5.1 Schadensbeispiele 29410.3 Erosionskorrosion 29610.3.1 Strömungsbeeinflusste Korrosion 29610.3.2 Flüssigkeitsaufprallerosion, Tropfenschlag 29810.4 Kavitationskorrosion 29910.4.1 Schadensbeispiele 30010.5 Reibkorrosion 30210.6 Schlussbemerkung 304

11 Schäden durch Wasserstoff 30711.1 Vorbemerkung 30711.2 Atomarer und molekularer Wasserstoff 30711.2.1 Thermodynamische Gleichgewichte 30711.2.2 Kinetik 31011.2.3 Effusion 31111.3 Schadensarten 31311.3.1 Verzögerter Bruch und Wasserstoffinduzierte Spannungsrisskorrosion

(H-ind. SCC) 31411.3.2 Fischaugen und Flocken 318

VIII Inhaltsverzeichnis


11.3.3 Beizblasen und HICs 32311.3.4 Methanbildung 32311.4 Beispiele 32311.5 Verwechslungsmöglichkeiten 33711.6 Wasserstoffempfindlichkeit verschiedener metallischer

Werkstoffe 33911.6 Anhang (Verwendete Größen und Gleichungen) 343

12 Schäden durch Hochtemperaturkorrosion 34512.1 Allgemeine Bemerkungen 34512.2 Thermodynamik und Kinetik 34612.2.1 Gleichgewichte 34612.2.2 Wachstum und Struktur 34912.3 HTK in heißen Gasen 35012.3.1 Oxidation 35012.3.1.1 Zunderbeständigkeit durch Legieren 35412.3.1.2 Innere Oxidation 35612.3.2 Aufkohlung (Innere Karbidbildung) 35712.3.2.1 Aufkohlende Gase 35812.3.2.2 Selbstaufkohlung 36012.3.3 Wasserstoffangriff 36212.3.3.1 Druckwasserstoffangriff oberhalb 200 °C auf Stahl 36212.3.3.2 Wasserstoffkrankheit bei Kupfer 36312.3.4 Schwefelung 36312.3.4.1 Schwefelaktivität von Gasen 36312.3.4.2 Stabilisierung der oxidischen Schutzschicht 36412.4 HTK unter Ablagerungen 36512.4.1 HTK an Überhitzerberohrungen steinkohlengefeuerter

Dampferzeuger 36612.4.2 HTK an Gasturbinenschaufeln 36912.5 HTK in Metallschmelzen 371

13 Werkstoffschäden durch Verschleiß 37513.1 Grundlagen zum Verschleißverhalten von Werkstoffen 37513.2 Tribosystem 37613.3 Verschleißarten und Verschleißmechanismen 38013.3.1 Verschleiß durch Abrasion 38113.3.2 Verschleiß durch Adhäsion 38413.3.3 Verschleiß durch tribochemische Reaktion 38513.3.4 Verschleiß durch Oberflächenermüdung 39413.4 Verschleißschutzschichten 39513.4.1 Verfahren zur Untersuchung von Verschleißschutzschichten 39813.4.2 Galvanisch abgeschiedene Chromschichten 39913.4.3 Außenstromlos abgeschiedene Nickelschichten 39913.5 Zusammenfassung 401

Inhaltsverzeichnis IX


14 Schäden an Schweißnähten 40514.1 Einleitung 40514.2 Werkstoffbeeinflussung durch den Schweißprozess 40614.3 Rissbereiche in Schweißkonstruktionen 40614.3.1 Schwachstellen 40714.3.2 Risslagen 40914.4 Rissarten in Schweißverbindungen 41014.4.1 Fertigungsrisse 41014.4.1.1 Heißrisse 41114.4.1.2 Kaltrisse 41714.4.1.3 Lamellenrisse 42414.4.1.4 Relaxationsrisse 43014.4.2 Betriebsrisse 43614.4.2.1 Betriebsrisse infolge Überbeanspruchung 43614.4.2.2 Betriebsrisse – ausgehend von Schweißfehlern 44114.5 Schlussbetrachtung 442

15 Bruchmechanik in der Schadensanalyse 44715.1 Einleitung 44715.2 Stabile, instabile und unterkritische Rissausbreitung 44715.3 Spannungsintensitätsfaktor 44915.3.1 Definition 44915.3.2 Die wirksamen Spannungen 45015.3.3 Oberflächenrisse 45115.3.4 Spannungsintensitätsfaktoren für beliebige Belastungen 45215.4 Anwendungsbereich der linear-elastischen Bruchmechanik (LEBM)

45315.5 Zusammenhang zwischen kritischer Risslänge und kritischer Span-

nung 45315.6 Unterkritisches Risswachstum bei wechselnder Belastung 45415.7 Unterkritisches Risswachstum bei konstanter Belastung und aggressiver

Umgebung 45615.8 Lebensdauerberechnung 45615.9 Korrelation Bruchlinienabstand – mittlere Rissgeschwindigkeit 45715.10 Korrelation Bruchlinienabstand –∆K 45815.11 Versagen durch plastische Instabilität 45915.12 Die Zwei-Kriterien-Methode 46115.13 Anwendungsbeispiel: Behälter unter Innendruck 46215.14 Bruchmechanische Schadensbewertung 465

16 Schäden an Druckbehältern 46916.1 Zusammenfassung 46916.2 Problemstellung 46916.3 Risikobewertung mittels Bruchmechanik 47316.4 Fallstudien 476

X Inhaltsverzeichnis


16.4.1 Unfall mit Sauerstoffflasche 47616.4.2 Unfall mit Acetylenflasche 48016.4.3 Katastrophe mit Flüssiggastankwagen 48216.5 Folgerungen 485

17 Schadensuntersuchungen und Problemlösungen mitOberf lächenanalytik 487

17.1 Einleitung 48717.2 Oberflächenempfindliche Untersuchungsmethoden 48717.3 Auger-Elektronen-Spektroskopie (AES) 48917.3.1 Physikalische Grundlagen 48917.3.2 Scanning Auger Microscope (SAM) 49117.4 Röntgen-Fotoelektronen-Spektroskopie (XPS, ESCA) 49217.4.1 Physikalische Grundlagen 49217.4.2 ESCA-Anlage 49317.5 Anwendungsbeispiele 49417.5.1 Kadmium-Versprödung der Bolzen aus der Triebwerksaufhängung

eines Großraumflugzeugs 49417.5.2 Beschädigter Drucksensor 49617.5.3 Oberflächenkontamination bei einer Hochfrequenz-Empfangsspule 50017.5.4 Haftung von diamantartigen Kohlenstoffschichten auf Implantaten 50217.5.5 Oberflächenanalyse einer Hüftgelenkprothese 50517.6 Zusammenfassung 507

18 Schwingungsrisse bei der dynamischen Prüfung vonSeilbahnkomponenten 511

18.1 Einleitung 51118.2 Seilbahnsysteme 51118.3 Fahrzeugkomponenten bei Umlaufseilbahnen 51318.4 Betriebsbelastungen 51418.5 Europäische Normen für Seilbahnfahrzeuge 51518.6 Beispiele aus der Praxis 51718.6.1 Beispiele zu Spannungskonzentrationen 51818.6.1.1 Kuppelbare Seilklemme 51818.6.1.2 Gehängestange 52018.6.1.3 6-Personen-Kabinenstruktur 52018.6.1.4 3-Personen-Sesselfahrzeug 52118.6.2 Beispiele zu Schweißeigenspannungen und Steifigkeitsänderungen 52218.6.2.1 6-Personen-Kabinenfahrzeug 52218.6.2.2 4-Personen-Kabinenfahrzeug 52418.6.2.3 Gehängerahmen eines Seilbahnfahrzeuges 52518.6.3 Versagensbeispiele infolge Reibkorrosion 52618.6.3.1 Allgemeines 52618.6.3.2 4-Personen-Sesselfahrzeug 527

Inhaltsverzeichnis XI


18.6.3.3 8-Personen-Seilbahnkabine 52918.6.4 Versagensbeispiel infolge Montagespannungen 53118.6.5 Versagensbeispiel infolge Spannungsrisskorrosion 534

Stichwortverzeichnis 539

XII Inhaltsverzeichnis

Reemers Publishing Services GmbHO:/Wiley/Lange/3d/fbetw.3d from 28.01.2014 15:23:423B2 9.1.580; Page size: 170.00mm x 244.00mm

Vorwort zur 6. Auf lage

Der technische Fortschritt, aber auch die Weiterentwicklung der Schadensanalysebieten Anreize für Neuauflagen dieses Buches.Meinem Freund Günter Lange, mit dem ich rd. 100 Schadensanalyse-Seminare

in Europa sowie in Brasilien, USA, China und Korea abgehalten habe, war es eingroßes Anliegen, das Buch stets aktuell zu halten. Leider hat er die Fertigstellungdieser vollständig überarbeiteten Auflage, an der er bis zuletzt gearbeitet hat, nichtmehr erleben können. Er verstarb am 1. Dezember 2012 in Braunschweig.Für die 6. Auflage wurden die Beiträge analog zu der Weiterentwicklung des

gleichnamigen Seminars in unterschiedlichem Maße überarbeitet und erweitert,wofür z. T. nun andere Autoren verantwortlich zeichnen. Bewährtes bleibt erhal-ten, Neues wurde hinzugefügt.Möge dieses Buch seinen Nutzern eine hilfreiche Informationsquelle sein. Dem

Neueinsteiger diene es als Leitfaden durch den Dschungel der Schadensanalyse unddem Etablierten als gern benutztes Nachschlagewerk. Mancher Besitzer der 1. bis5. Auflage könnte sich veranlasst sehen, sein geschätztes Buch zu aktualisieren.

Bochum, Januar 2014 Michael Pohl

XIII

Systematische Beurteilung technischer Schadensfälle, 6. Auflage 2014. Editiert durch G. Lange und M. Pohl© 2014 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Boschstr. 12, 69469 Weinheim, Germany

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