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The 100th anniversary of the death of Adolf Martens will be commemorated on July 24th, 2014. He is eponymously remembered today through the term martensite, which was first used by Floris Osmond as a name for the metastable phase that results from rapid quenching of carbon steels. Born in 1850 near to Hagenow in the region Mecklenburg, Germany, Martens was one of the pioneers of materials engineering in 19th century Europe.
Martens began his career working for the Prussian Eastern Railway before joining the Royal Industrial Academy in Berlin in 1880. In 1884, he was appointed director of the Royal Mechanical Experimental Station, a small institution associated to the academy. Failure analysis was continuously practiced at this institution, which became later the nucleus of the German Federal Institute for Materials Research and Testing (BAM), for the 110 years since. The history of Martens will be dealt with in an in-depth article in this special issue.
Since the 19th century, failure analysis techniques have been refined, and new methods of chemical analysis and non-destructive testing have been developed; however, the basic approach to failure analysis has not changed much since Martens' days. The basic tenets of failure analysis remain things like on-site inspection, extensive visual 'non-destructive' inspection, developing an understanding of the background story, performing materials testing, and 'connecting the dots.' Martens introduced and developed experimental techniques like macro photography, fractography, metallography, hardness measurements, and mechanical testing. Modern failure analysts continue adding even more techniques to this list, leading to a more interdisciplinary approach which many would say is the only way to find the root causes of complex failure events.
The present special issue of EFA presents an overview of more than 100 years of failure analysis at BAM and its predecessors, closing the circle from the beginnings of modern failure analysis done by Martens himself in the 1890s to its present-day application.
This special issue starts with an excursion back to Martens' work and innovations and presents a newly translated original manuscript of Martens from 1890. Whereas some papers of Martens and his co-workers are well documented, only little can be found about failure analysis in the period from 1914 to the 1950s. Most documents of this period have not survived until today. Beginning in the 1960s more and more significant works are preserved, which were using the interdisciplinary approach of Martens. Since the beginning of the digital age in the 1980s almost all text documents are accessible, whereas digital images were stored since the 1990s. Since then the problem is no longer accessibility but copyright issues that prevent many interesting case studies from being published. Maybe the next generation of failure scientists can reveal some of them later on.
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.
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.
Investigations on the breakdown of a heat recovery steam generator during the initial operation run
(2014)
Several years ago, in 2003, an industrial heat recovery steam generator in charge of generating process steam in a petrochemical refinery was installed and prepared for initial operation. The steam generator enclosed an evaporator section and a superheater section consisting mainly of bundles of tubes with the longest up to several metres in length. During initial operation test runs severe leakages in the evaporator and superheater modules became noticeable. The test runs were stopped and after disassembly, through-wall cracks in several tube bends were found. BAM was commissioned to carry out the investigations in order to find out the reasons for the failure of the tubes. During on-site inspection a number of relevant damaged components and parts were selected and taken away to the laboratories for detailed inspection. Planned analyses were to comprise metallographic as well as fractographic investigations, mechanical fatigue testing and experimental as well as finite element vibration analyses on specimens and components. Soon, the fracture mechanism was found to be mechanical fatigue due to the fact that the examined fracture surfaces showed the very characteristic beachmarks and colouring patterns. To identify the particular loading and time at which crack initiation and crack propagation took place, experimental and numerical vibration analyses of specific tubes as well as mechanical fatigue tests on tube bends were carried out. Thus it was possible to identify the eigenfrequencies of individual tubes, to estimate the dynamic response as well as the nominal stresses and, hence, experimentally characterise the in-service fatigue strength of the components. Mechanical and thermal comparative tests on tube bends were performed simulating the conditions during the initial test run in order to get crack surfaces comparable to that of the originally damaged components. Thereby it became obvious that the fatigue cracks were initiated by vibrations the tube bundles were exposed to during rail transport from the manufacturers site to the place of installation. Based on these results, the damaged components could be repaired or exchanged without modification of the construction, but the rules relating packaging and securing for shipping had to be revised.
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.
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
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.
The roll-on-roll-off passenger ferry MV ESTONIA sank during the night of 28 September 1994 in the Baltic Sea. In October 2000, divers recovered two palm-sized test pieces from the front bulkhead of the wreck. The investigators analysed these specimens to determine whether there were any indications of deliberate blasting. Since the wreck had been submerged for almost six years, it was clear that chemical traces would not be present on the surfaces of the test pieces. Therefore, the investigators performed comparative tests on shipbuilding steel to find a microstructural criterion that exclusively characterises a blast. The shipyard Jos. L. Meyer, Germany, had built the ESTONIA and supplied shipbuilding steel plates similar to that used for building the vessel in 1979/1980. The comparative tests comprised mechanical tests, shot peening tests and blasting tests using different explosives. Testing demonstrated that blasting always formed twinned ferrite grains in the microstructure over the whole cross-section of each of the 8 mm thick comparative plates. Although one of the original test pieces of the ESTONIA showed deformation twins, this was only confined up to 0.4 mm underneath the surfaces and not spread over the whole cross-section. Comparative shot peening tests produced the very same pattern of subsurface deformation twins. Therefore, the twins detected in the microsection of the test pieces of the ESTONIA wreck traced back to the shot peening process performed by the shipyard in 1979/1980 and not to a deliberate blast.
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.