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Aufbau einer Wissensbasis zu Bruchflächen und Gefüge in der fraktographischen online-Datenbank
(2016)
In einer fraktographischen online-Datenbank werden Informationen zum Bruchverhalten von technischen Werkstoffen zusammengetragen. Primäres Ziel ist die kontrollierte Erzeugung von Brüchen und deren anschließende Analyse, aber auch Beispiele aus Schadensfällen werden eingestellt. Die makroskopischen und mikroskopischen Merkmale von Bruchflächen, die Art der Beanspruchung und die dazugehörigen Werkstoffgefüge werden in Datensätzen zusammengefasst, die der interessierten Fachöffentlichkeit zu Verfügung stehen.
Oft sind von außen nicht sichtbare „Ungänzen“ im Innern die Ursache für das Versagen von Bauteilen. In manchen Fällen genügt eine herkömmliche metallographische Präparation, um der Schadensursache auf die Spur zu kommen. In anderen Fällen aber sind die Ungänzen zu klein oder ihre Lage zu ungewiss, um sie mit zufälligen Schnitten zu treffen. Zudem würde man durch Fehlversuche das Bauteil zu stark schädigen und so wertvolle Spuren verlieren sowie die weitere Untersuchbarkeit einschränken. In solchen Fällen ist es im wahrsten Sinn des Wortes zielführend, die Ungänzen mit Hilfe eines räumlich abbildenden ZfP-Verfahrens zu lokalisieren und dann mit den erhaltenen Koordinaten eine metallographische Zielpräparation präzise durchzuführen. Als Methoden kommen z.B. Mikro-Computer-Tomographie (µCT) und Tauch-Ultraschall in Frage. Bauteile können kleine elektronische Komponenten sein, aber auch große Bauteile wie Wellen aus Fahrzeugen oder Anlagen.
Modulare Hüftprothesen können individuell der Anatomie des Patienten angepasst werden und haben dadurch eine positive Auswirkung auf dessen Lebensqualität. Unter Betriebsbelastung sind in der zusätzlichen Konusverbindung zwischen Schaft und Kopfteil Relativbewegungen möglich. Selbst an Titan-Bauteilen bewirken diese durch Verletzung der Passivschicht Reibkorrosion und infolgedessen Spaltkorrosion. Verunreinigungen wie z.B. Knochenrückstände in der Konusverbindung bewirken eine erhöhte Relativbewegung und führen zusätzlich zu einer örtlichen Spannungsüberhöhung durch lokale Pressung. Die an der Mantelfläche des Schafts entstehenden Korrosionsdefekte reduzieren die Schwingfestigkeit des Schafts erheblich, so dass dort Schwingrisse initiiert werden können, welche dann durch die üblichen zyklischen Schwell-Biegebelastungen bis zum Restgewaltbruch wachsen.
Bei der Untersuchung von Bruchflächen werden zunächst Beobachtungen gemacht, d.h. makroskopische und mikroskopische Merkmale analysiert und in Bildern dokumentiert. Im zweiten Schritt werden anhand der gefundenen Merkmale Rissverlauf und Bruchmechanismen ermittelt. Abschließend sollen diese Ergebnisse in einem Bericht oder Gutachten zusammengefasst werden. Hierbei ist eine skizzenhafte Darstellung der fraktographischen Befunde hilfreich für das Verständnis des Lesers. Ein vorgefertigter fraktographischer Symbolsatz würde dies erheblich vereinfachen.
Skizzen von fraktographischen Befunden sind in der Literatur recht häufig zu finden, z.B. in der VDI 3822 oder dem ASM Handbook Fractography, allerdings gibt es hierzu keine umfassende Systematik, wie sie z.B. aus der Meteorologie (Wetterkarten), Geographie (Landkarten, Seekarten) oder Geologie (Bodenkarten) seit langer Zeit bekannt sind. Deshalb wird hier der Versuch unternommen, einen Symbolsatz zu entwickeln und zur Verfügung zu stellen, mit dessen Hilfe fraktographische Befunde in eindeutiger und übersichtlicher Weise veranschaulicht werden können. Der fraktographische Symbolsatz ("Fracto Graphics") befindet sich in Entwicklung, ist offen zur Diskussion sowie für Verbesserungen.
Komponenten von Fahrrädern werden im Betrieb vorwiegend schwingend beansprucht. Typische Werkstoffe sind Stahl, Aluminiumlegierungen, Messing, CFK und thermoplastische Kunststoffe. Da es sich, unabhängig von der Preiskategorie, um konstruktiven Leichtbau handelt, werden einige Bauteile betriebsfest mehr oder weniger weit oberhalb der Dauerfestigkeit ausgelegt. Die im normalen Betrieb auftretenden Schäden sind daher weit überwiegend Schwingbrüche. Andere Schadensmechanismen wie z.B. Korrosion spielen quantitativ eine untergeordnete Rolle. Schwingbrüche treten nach einer Periode unbemerkten Risswachstums oft ohne Vorwarnung und ohne makroskopische Verformung auf. Im Falle von sicherheitsrelevanten Komponenten wie Rahmen, Gabeln, Lenkern, Sattelstützen, Kurbelarmen oder Pedalen kann dies zu erheblichen Personenschäden führen, die den Wert des ursächlichen Bauteilschadens weit überschreiten.
Über einen langjährigen Zeitraum wurden gebrochene Komponenten aus dem Alltag und aus Gerichtsverfahren analysiert. Das Hauptaugenmerk lag hierbei auf der fraktographischen Analyse, teilweise wurden die zu Grunde liegenden Schadensursachen ermittelt. Einflussfaktoren sind beispielsweise konstruktive Kerben an ungünstigen Stellen, aber auch Werkstoffwahl und Fertigungsqualität spielen eine Rolle. In den meisten Fällen wurde jedoch die konstruktive Lebensdauer überschritten. Diese wird praktisch nie mitgeteilt, und eine wiederkehrende Prüfung sicherheitsrelevanter Bauteile findet nicht statt.
Im Sinne der Vermeidung von Schäden und Unfällen könnte darauf hingewirkt werden, für sicherheitsrelevante Komponenten Lebensdauern besser abzuschätzen und von der Laufleistung abhängige Sichtprüfungen zu empfehlen.