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Organisationseinheit der BAM
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.
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.
Zur Abschätzung der Lebensdauer eines bei höherer Temperatur langzeitbelasteten Bauteils wurden Zeitstandversuche, Relaxationsversuche und weitere Versuche mit unterschiedlichen Umgebungssteifigkeiten durchgeführt.
Die Zeitstandversuche, deren Versuchsführung eine unendlich niedrige Umgebungssteifigkeit simuliert, liefern geringere Lebensdauern (Bruchzeiten) im Vergleich zu Versuchen mit endlich hohen, technisch relevanten Steifigkeiten bei vergleichbarer Probensteifigkeit (Geometrie), wobei die Lebensdauern mit steigender Umgebungssteifigkeit zunehmen. Die längsten Lebensdauern zeigen Relaxationsversuche mit einer unendlich hohen Umgebungssteifigkeit aufgrund ihrer Versuchsregelung.
Für die Übertragung der an Proben gewonnenen Ergebnisse auf das Bauteil wurde das Steifigkeitsverhältnis Z zwischen der Steifigkeit der 'Probe' und der der 'Umgebung' definiert und angewandt. Das Steifigkeitsverhältnis des kritischen Bereichs im Bauteil und das der Werkstoffprobe in der Prüfmaschine sollten möglichst ähnlich sein. Dann lassen sich bei der Übertragung auf das Bauteil realistisch höhere Lebensdauern abschätzen als nur mit Kenntnis der Ergebnisse der Zeit-standversuche.
On July 9, 2008 a high speed train derailed in Cologne main Station, Germany at a low speed because an axle was broken. Fortunately, the derailment happened at a low speed so that nobody was injured. The reason for the broken axle was investigated and it turned out that most likely large inclusions located shortly undemeath the surface in a T-transition were the origin of the final crack. Basing on that result, a systematic investigation on existing safety assessments of railway axles was performed. This results in an analysis of the production process of axles and in a critical review of existing of existing assessments. Improvements and future developments are outlined.
Der Begriff „Materialfehler“ wird nicht nur im Bereich der Schadensanalyse von Laien, Juristen und Ingenieuren sondern auch in der Öffentlichkeit sehr häufig verwendet, leider mit den verschiedensten Bedeutungen. Dies führt immer wieder zu Missverständnissen. Ziel der hier vorgestellten BAM-Untersuchung und Recherche war zu klären, ob und ggf. wo es Definitionen für den „Materialfehler“ gibt, wie der Begriff in den oben angesprochenen Bereichen verwendet wird. Weiterhin wurde untersucht, ob diese Verwendungen / Definitionen in die in der Schadensanalyse definierte Begriffswelt passen bzw. welche Definition ergänzt werden sollte. Im Gegensatz zu „Material“, „Werkstoff1 oder „Werkstofffehler“ ist der häufig verwendete Begriff „Materialfehler“ erstaunlicherweise bisher nicht definiert!
Um den oft verwendeten Begriff des Materialfehlers für die Schadensanalyse und die damit befassten Bereiche einheitlich zu beschreiben, wird folgende Definition vorgeschlagen:
„Materialfehler" sind Werkstoff- und/oder Fertigungsfehler. Darin sind alle Fehler (Abweichungen von Spezifikationen/Normen) im Werkstoff bzw. dessen Herstellung/Fertigung enthalten.
Demgegenüber sind Konstruktions-/Planungsfehler oder Betriebsfehler keine Materialfehler.
Schadensteil: PME-Kraftstoffleitung
Schadensmechanismus: Reibverschleiß und Schwingbruch
Schadensursachen: Nichtbeständigkeit der Elastomereinlage in Befestigungsschelle gegen unplanmäßig ausgetretenen Biodiesel (PME); Schwingungen der Kraftstoffleitungen
Schadensablauf: Elastomer versprödet, Schwingungen der Kraftstoffanlage, Reibverschleiß an der Befestigungsschelle, äußerliche oberflächliche Korrosion der Leitung; Schwingbruch der Kraftstoffleitung; Brand am Motor eines BHKWs