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Am 9. Juli 2008 entgleiste ein Hochgeschwindigkeits-Triebzug der Baureihe 403, ICE3, bei der Ausfahrt aus dem Kölner Hauptbahnhof. Ursache dafür war der Schwingbruch einer Radsatzwelle. Im Auftrag der Staatsanwaltschaft Köln untersuchte die BAM die Schadensteile, insbesondere die gebrochene Treibradsatz-Hohlwelle.
Zunächst wurden das Drehgestell, der Antriebsstrang, die Räder, die Bremsen und die gebrochene Radsatzwelle visuell untersucht und deren Zustand dokumentiert.
Anschließend erfolgte die zerstörungsfreie Prüfung der beiden Bruchstücke der Hohlwelle mit teilmechanisierter Ultraschall-Handprüfung.
Vor der Zerlegung der Radsatzwelle wurden ausgewählte Maße kontrolliert und die Oberfläche eingehend untersucht. Nach der Probenahme und Präparation wurden die relevanten spezifizierten Eigenschaften des Wellenwerkstoffs überprüft.
Mittels Bruchflächenanalyse konnte die Startstelle des Schwingrisses lokalisiert, aufgrund der starken Sekundärschäden auf der Bruchfläche und an den Bruchkanten jedoch nicht direkt ausgewertet werden. Durch die Kombination von Mikro-Computertomographie und Ultraschall-Tauchtechnik wurden u. a. nahe der Schwingriss-Startstelle Inhomogenitäten erkannt, die durch metallographische Zielpräparation als nichtmetallische Einschlüsse identifiziert wurden. Die Größe dieser Einschlüsse ist gemäß gefordertem Reinheitsgrad unzulässig. Vergleichbare Einschlüsse in diesem hochbeanspruchten Bereich der Radsatzwelle haben vermutlich den Schwingriss initiiert.
Fraktographischen Daten aus Schadensanalysen, Vergleichsversuchen und Vorhaben könnten der Fachöffentlichkeit im Bereich Fraktographie zur Verfügung gestellt werden, sofern das Urheber-recht es zulässt und außerdem ein geeignetes Medium existiert. Ein solches Medium könnte eine offene fraktographische online-Datenbank sein. Eine solche wird im Rahmen der AG Fraktographie im DVM-DGM Gemeinschaftsausschuss "Rasterelektronenmikroskopie in der Materialprüfung" zurzeit erarbeitet.
Fraktographischen Daten aus Schadensanalysen, Vergleichsversuchen und Vorhaben könnten der Fachöffentlichkeit im Bereich Fraktographie zur Verfügung gestellt werden, sofern das Urheberrecht es zulässt und außerdem ein geeignetes Medium existiert. Ein solches Medium könnte eine offene fraktographische online-Datenbank sein. Eine solche wird im Rahmen der AG Fraktographie im DVM-DGM Gemeinschaftsausschuss "Rasterelektronenmikroskopie in der Materialprüfung" zurzeit erarbeitet.
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.
Fatigue failure of a component can occur at service loads considerably lower than the yield strength of the material. Under fatigue loading condition, the material in the vicinity of the tip of a propagating crack repeatedly deforms plastically, leaving microscopic marks on the crack surface, commonly known as fatigue striations. Counting and measuring fatigue striations is a method in estimating the number of loading cycles a component went through until fracture. Some studies suggest a one-to-one relation between the number of fatigue striations and the number of load cycles, but this relation is still debatable, given that there are many factors influencing the formation of those striations. The main purpose of this work is to analyze the influence of microstructure and mechanical strength on the formation of fatigue striations in structural steels, in order to understand how these material properties are related to the fatigue crack behavior. For such, standard Charpy-V samples were subjected to hardness, fatigue and impact testing. Metallography was performed to characterize the microstructure, and a fractographic analysis by using optical and scanning electron microscopy was carried out to investigate the fracture surface. This study shows that steels with higher ductility have a closer one-to-one relation than those with a higher tensile strength. Above a certain level of tensile strength, fatigue striations do form rarely or completely disappear.
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.
To set up recommendations on how to define “reasonable minimum composition thresholds” for CO2 streams to access CO2 pipeline networks, we investigated potential impacts of CO2 streams with different and temporally variable compositions and mass flow rates along the CCS chain. All investigations were based on a generic “CCS cluster scenario” in which CO2 streams captured from a spatial cluster of eleven emitters (seven fossil-fired power plants, two cement plants, one refinery and one steel mill) are collected in a regional pipeline network. The resulting CO2 stream (19.78 Mio t impure CO2 per year) is transported in a trunk line (onshore and offshore) and injected into five generic replicate storage structures (Buntsandstein saline aquifers) offshore. Experimental investigations and modeling of selected impacts revealed beneficial as well as adverse impacts of different impurities and their combinations. Overall, no fundamental technical obstacles for transporting, injecting and storing CO2 streams of the considered variable compositions and mass flow rates were observed. We recommend to define minimum composition thresholds for each specific CCS project through limiting
i) the overall CO2 content,
ii) maximum contents of relevant impurities or elements,
iii) acceptable variability of concentrations of critical impurities, and defining impurity combinations to be avoided.
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.
