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The safety assessment of railway axles is based on a two-stage approach: fatigue strength design and regular inspections which, in terms of a general safety philosophy refer to safe-life and damage tolerance concepts. Starting with a recent failure case, a broken axle of a German high speed train, a discussion is presented on issues of both safety levels. These include ideas for finite life design, the treatment of in-service effects on the fatigue strength due to flying ballast damage and corrosion pits, the effect of corrosion on fatigue crack initiation and propagation, potential effects of non-metallic inclusions in steels, the way to detect them by quality control measures and reliability aspects of non-destructive testing with respect to the detection of fatigue cracks. Proposals are made how the safety level could be further improved.
Die Sicherheit von Radsatzwellen beruht gegenwärtig auf zwei Säulen: der Schwingfestigkeitsauslegung und periodischen Inspektionen. Ausgehend von einem Schadensfall, der gebrochenen ICE 3-Welle von Köln, 2008, sollen ausgewählte Aspekte beider Säulen diskutiert und Vorschläge zur weiteren Verbesserung gemacht werden. Diese betreffen u.a. Fragen einer Betriebszeitbegrenzung, Veränderungen der Schwingfestigkeit während des Betriebs infolge von Korrosion und Steinschlag, den Einfluss von Korrosion auf Schwingrissinitiierung und -fortschritt, den potentiellen Einfluss nichtmetallischer Einschlüsse auf die Schwingfestigkeit, die Möglichkeiten sie im Rahmen der Qualitätssicherung zu detektieren sowie Fragen der Bruchmechanik und der Zuverlässigkeit zerstörungsfreier Schwingriss-Prüfverfahren im Rahmen eines Konzepts regelmäßiger Inspektionen.
Although fatigue crack propagation and fracture cause a large part of failure events in industrial practice, fracture mechanics in failure analysis seems to be still a side issue. Starting from an introduction into important basic questions of failure analysis and fracture mechanics, the authors specify what kind of questions in failure analysis can be effectively solved by fracture mechanics (and which can't). They illustrate their discussion with a number of 13 case studies from the literature. Much more pronounced than in the design stage the benefit of fracture mechanics in failure analysis depends on its accuracy. This is limited by both, intrinsic factors of the method and the availability and quality of the input information. The authors discuss the various aspects and provide the reader with some background information which, as they believe, will be helpful for better understanding the prospects and limitations of fracture mechanics in failure analysis and the conditions of its application.
Unexpected wind-induced vibrations of the hangers have caused an early fatigue crack on specific steel components and joints of a railway bridge over the Elbe River at Lutherstadt Wittenberg, Germany. During regular periodic inspection a fatigue crack of approximately 240 mm length was found near a butt weld of the longest hanger. The hanger was immediately secured by welded butt straps across the crack. Based on experimental investigations of hanger vibrations additional bracings were added between the hangers to avoid wind-induced vibrations. The weld heat influence zone which was affected by high cyclic stresses was replaced by new material.
Nevertheless it was impossible to determine sufficient remaining service life for those remaining bridge components that were exposed to extreme high real load cycles. The grinding of the affected steel surfaces was the key element of the remedial actions. Furthermore, additional fracture mechanic calculations were carried out in order to assess the remaining service life of the welded joints. In this respect, the calculation approach used by Deutsche Bahn AG was compared to further procedures from the mechanical engineering field. These investigations showed that the studied, repaired components have both, bearing and fatigue capacities within the validity of standards.
Die Sicherheit von Radsatzwellen beruht gegenwärtig auf zwei Säulen: der Schwingfestigkeitsauslegung und periodischen Inspektionen. Ausgehend von einem Schadensfall, der gebrochenen ICE 3-Welle von Köln, 2008, werden ausgewählte Aspekte dieser beiden Säulen diskutiert und Vorschläge zur weiteren Verbesserung gemacht. Diese betreffen u. a. Fragen einer Betriebszeitbegrenzung, Veränderungen der Schwingfestigkeit während des Betriebs infolge von Korrosion und Steinschlag, den Einfluss von Korrosion auf Schwingrissinitiierung und -fortschritt, den potenziellen Einfluss nichtmetallischer Einschlüsse auf die Schwingfestigkeit, die Möglichkeiten, sie im Rahmen der Qualitätssicherung zu detektieren, sowie Fragen der Bruchmechanik und der Zuverlässigkeit zerstörungsfreier Schwingriss-Prüfverfahren im Rahmen eines Konzepts regelmäßiger Inspektionen.
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.
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.
Shortly after midnight on 15th November 1992, a severe train crash was caused by the break off of a buffer from a tool and gear wagon of a freight train. The buffer fell between the rails, tumbled, and then lifted one axle of a following freight wagon off the rails. Several freight wagons derailed in the station of Northeim, Germany, blocking the adjacent track. A night train travelling on that blocked track was already too close (only 180 m) to stop, despite emergency braking initiated immediately and automatically by the track signalling system. When the night train crashed into the freight wagons, some of its coaches were heavily damaged. Eleven people were killed, and 51 injured, some of them seriously.
The task for failure analysts was to find out why the buffer broke off from the front frame of the tool and gear wagon. Therefore, the material of the attachment, the front frame, and the welds were tested. Chemical composition, hardness, and microstructure were allowable. The welds showed imperfections which were determined not to be causal. The fracture surfaces had graded corrosion which again was not causal and beach marks that depicted fatigue cracks before final fracture.
The cause for the break off was the fact that the front frame had been repaired at this same buffer attachment some years before and that the repair patch used was thinner than the original front frame profile.
Additionally, the force characteristics of the buffer showed reduced stroke but increased forces which was due to several friction springs that had been broken for a long time. The buffer forces in service were assessed from standards, literature, and the deformations of the attachment. The in-service stresses at the welds were estimated using FEM analysis. High cyclic stresses at the welds resulted in fatigue cracking and finally break off of the attachment with the buffer.
Self-excited vibrations with large amplitudes in natural wind may occur at slender structural elements with low damping. Because of the different designs (e. g. using solid sections today instead of cables for tension elements in the past) the susceptibility to wind induced oscillations has increased. Those wind induced vibrations of profiles with specific cross section geometry which are motion induced and therefore self-exciting are called 'galloping vibrations'. Especially systems with elements that are highly tensile loaded and undamped, like hangers of bridges or tension bars of cranes, are sensitive to wind induced vibrations. Therefore more and more fatigue problems caused by galloping oscillations have occurred in the 1990s. This paper describes exemplary the collapses of two modern cranes of different design and manufacturers. During standstill periods, both cranes suffered from wind induced vibrations of the tension bars, which bear up the counterweights. The failure analysis process to identify and explain the fatigue fractures as well as the comparative experiments and simulation to verify that they were caused by wind induced galloping-vibrations is described. It is shown, which parameters led to galloping-vibrations of the tension bars and how their onset wind speed and the amplitudes can be estimated with more accuracy by a non-linear and non-stationary approach. Furthermore it is shown that such dynamic stresses caused fatigue failure of the tension bars for the counter weights and subsequently collapsing of the cranes.
For loss prevention knowledge and results gained by these investigations should be put at disposal to engineers working on this field of design. In the meantime, a contribution to development of appropriate technical standards on structural steelwork was given by the research works on galloping. Although new standards were introduced, which consider wind induced vibrations, such failures still occur. (Reference to the paper 'Fatigue crack in railway bridge hanger due to wind induced vibrations – failure analysis, measures and remaining service life estimation' in this same Special Issue 'A tribute to A. Martens' 2014).
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.
Die Empfindlichkeit von Beschleunigungssensoren hängt von der Temperatur ab, bei der sie eingesetzt werden. Aus diesem Grund fordert der Entwurf der Neuausgabe von IEC 60068-2-531[1], dass Beschleunigungssensoren bei allen Prüftemperaturen kalibriert sein müssen.
Darüber hinaus müssen die Grenzabweichungen der entsprechenden dynamischen Prüfverfahrensnormen eingehalten werden.
Das Messunsicherheitsbudget für die Beschleunigungsmessung bei einer kombinierten Vibrations- und Klimaprüfung wird aufgestellt. Einflussgrößen sind die Kalibrierunsicherheit, der Frequenz- und Temperaturgang des Sensors, sowie die Messunsicherheit der elektrischen Messkette.
Anhand typischer Prüfbedingungen werden Kriterien aufgestellt, wann der Temperaturgang für die Prüfung relevant wird.
Eigene Untersuchungen [2] und Hinweise aus der Literatur [3] zeigen, dass dies eher selten der Fall ist. Gegebenenfalls muss auf geeignete Maßnahmen zur Verringerung der Messunsicherheit zurückgegriffen werden. Eine Kompensation des Temperaturganges ist möglich [4], aber derzeit noch aufwändig.
Vibrationsprüfungen an sicherheitskritischen Ventilen: Zwei Beispiele aus Forschung und Anwendung
(2011)
Ventile für gasförmige Medien müssen neben dem Druck oft auch Vibrationsbelastungen durch ihren Einsatz ertragen.
Die dadurch entstehenden Massenkräfte können die Funktion des Ventils beeinflussen, indem z. B. die Anpresskraft im Ventilsitz dadurch verändert oder die Betätigungseinrichtung verstellt wird. Die schwellenden oder wechselnden Beanspruchungen können auch zu Ermüdungsschäden und damit zu dauerhaftem Funktionsverlust führen.
Bei der Vibrationsprüfung für ein pneumatisch ausgelöstes Schnellöffnungsventil eines CO2-Feuerlöschsystems wurde die relevante EN 12094-4 angewendet. Diese setzt Mindestanforderungen in Hinblick auf die Schwingfestigkeit durch eine Gleitsinusprüfung.
Im Gegensatz dazu steht die im Rahmen eines Forschungsvorhabens durchgeführte Vibrationsprüfung an einem Sicherheitsventil für Tanklastwagen, bei der ein umfangreicheres Prüfprogramm erstellt wurde, um vibrationsabhängiges Ansprechen des Ventils zu untersuchen.
Der Anteil von Polymeren als Funktions- und Konstruktionswerkstoffe in dauerhaften medizinischen Anwendungen steigt beständig. Derartige Materialien müssen den mechanischen, biologischen und chemischen Bedingungen im Körper widerstehen (u.a. Abrieb, Hydrolyse, Degradation) und gleichzeitig gut verträglich sein. Der sichere Einsatz von polymeren Materialien erfordert die Kenntnisse über ihre Langzeitstabilität unter verschiedenen äußeren Bedingungen. Diese sind nicht nur beeinflusst durch die unmittelbare Umgebung in vivo, sondern auch durch die Historie der verwendeten Materialien. Dazu zählen u. a. erhöhte Temperaturen unter sauerstoffhaltiger Atmosphäre während der Verarbeitung oder die Exposition von ionisierender Strahlung oder reaktiven Radikalen während der Sterilisation.
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
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
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.
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.
Ein Umlaufkühler ist im Betrieb explodiert. Splitter des zerborstenen Gehäuses aus Kunststoff wurden mit dem Kühlwasser in die Umgebung geschleudert, am Betriebsort entstand Personenschaden. Bei Funktionsprüfungen am beschädigten Gerät traten unerwartet - aber reproduzierbar - Knalleffekte bei Berührung der Außenoberfläche der Kupfer-Kühlschlange auf. Ein möglicher Mechanismus konnte im Labor durch Synthese von Kupferazid auf Kupferproben und Auslösung vergleichbarer Knalleffekte nachgestellt werden. Damit ist die Plausibilität des beschriebenen Schadensereignisses mit diesem oder einem ähnlich reagierenden Stoff belegt. Ein eindeutiger Nachweis darüber, dass bei dem aufgetretenen Schadensfall dieselbe chemische Reaktion stattgefunden hat, war nicht möglich, da die Belag-Überreste aus dem explodierten Kühlgerät für eine Analyse nicht mehr in ausreichender Menge verfügbar gewesen sind.
Recherche verschiedener jeweils nationaler/internationaler Regelwerke
und Prozeduren für die Systematische Schadensanalyse
• Literaturrecherche zu Methoden der systematischen interdisziplinären Schadensanalyse
• Vergleich der Regelwerke VDI 3822, ASTM, ASM sowie der Methoden
• Anwendung der Regelwerke/Prozeduren und Methoden am Beispiel
Ein Durchlaufkühler ist im Betrieb explodiert. Die zerborstenen Gehäuseteile aus Kunststoff führten zu einem Austreten der Kühlflüssigkeit am Betriebsort sowie zu einem Personenschaden mit Knalltrauma. Bei Funktionsprüfungen am beschädigten Gerät traten unerwartet, aber reproduzierbar Knalleffekte auf der Kupfer-Kühlschlange auf. Ein möglicher Mechanismus konnte im Labor durch Synthese von Kupferazid auf Kupferproben und Auslösung vergleichbarer Knalleffekte nachgestellt werden. Damit ist die Plausibilität des beschriebenen Schadensereignisses mit diesem oder einem ähnlich reagierenden Stoff belegt. Ein eindeutiger Nachweis darüber, dass beim aufgetretenen Schadensfall dieselbe chemische Reaktion stattgefunden hat ist nicht möglich, da die Belag-Überreste aus dem explodierten Kühlgerät für eine Analyse nicht mehr in ausreichender Menge verfügbar waren.
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.
The application of implants e.g. for osteosynthesis or substitution of worn out joints is common practice since decades. Successes in surgery and orthopedics are highly dependent on the use of artificial parts for implanting into the human body. Over the years the number of surgical procedures and the number of different implants were growing rapidly. Implants, however, are exposed to complex mechanical, corrosive and tribological loads along with restriction in geometric dimension. While being essentially successful, the sheer number of cases leads to a rising number of implant failures. Such failures are painful for the affected patients and are very costly.
The failure cases presented in this paper occurred from 1981 to 2016. The predominant failure mechanism of all kinds of implants is fatigue fracture. Fatigue cracks are initiated due to a whole bunch of reasons: Material defects and fabrication defects are rare events. The main factors are cyclic overload due to improper fitting with delayed bone healing, corrosion and unauthorized modification of the implant during surgery
According to the definition of the ASM handbook [1,3], a defect is "an imperfection. that can be shown to cause failure by a quantitative analysis and that would not have occurred in the absence of the imperfection". The topic of the present three-part review is a discussion of defects which can cause failure in cyclically loaded structures. The features discussed comprise material defects such as non-metallic inclusions, pores or micro-shrinkages, etc. and geometric defects such as surface roughness and secondary notches which have their origin in manufacturing, and defects such as surface damage due to scratches, impact events or contact fatigue as well as corrosion pits which arise in service. In this first part, the discussion is prefaced by an introduction to basic aspects which are essential for a deeper understanding of the characteristics and mechanisms how the defects influence fatigue crack initiation and propagation. These include the life cycle of a fatigue crack from initiation up to fracture, crack arrest, multiple crack initiation and coalescence, and the material and geometrical properties affecting these.
This third part of the review on defects as root cause of fatigue failure addresses cavities (pores, micro-shrinkages, unmelted regions), defective microstructures and microcracks as material defects and defects due to local damage during manufacturing, service and maintenance such as dents, scratches and localized corrosion. In addition, damage due to contact fatigue and the effect of surface roughness are discussed in the context of fatigue failure. Also addressed is the competition between different kinds of defects in controlling the initiation and early growth of fatigue cracks.
Defects as a root cause of fatigue failure of metallic components. II: Non-metallic inclusions
(2019)
This second part of the review on defects as root cause of fatigue failure comprises the origin, the nature and the effects of non-metallic inclusions. Topics addressed are the different kinds of inclusions formed during the manufacturing process, various types of mis-match causing local stresses and, as a consequence, fatigue crack initiation, and effects of characteristics such as size, morphology, localization, spatial distribution and orientation of the defects on the fatigue behavior. Methods for inclusion counting and sizing are discussed along with statistical aspects necessary to be considered when evaluating structural components.
The paper provides an overview on material defects which may serve as fatigue crack initiation sites and can cause final fatigue failure of a component. These comprise nonmetallic inclusions in Steel and aluminum alloys, cavities such as pores, micro-shrinkages and un-welded regions in cast, sinter and additively manufactured alloys, graphite nodules, shrinkages and other items in modular cast iron, regions of defective microstructure, microcracks and secondary notches such as undercuts and surface roughness. Besides their origin, the effect and mechanisms on fatigue crack initiation and propagation are discussed.
The considerations are proceeded and accompanied by a Brief discussion of some Basic aspects such as the stages of crack propagation along their length scale, the overcoming of crack arrest and the question when a secondary notch can be treated as a crack.