Was sind jetzt also zusammengefasst die Aufgaben der Werkstoffkunde, Werkstofftechnik, Werkstoffprüfung? Wir benötigen Informationen über das Verhalten verschiedener Werkstoffe bei mechanischer, thermischer, chemischer Belastung und dort jeweils bei statischer, zyklischer und dynamischer Beanspruchung. Diese Ermittlung dieser Werkstoffeigenschaften steht im Mittelpunkt. Wir können das natürlich nicht alles prüfen, das ist Ihnen hoffentlich auch klar, sondern wir werden uns Gedanken darüber machen müssen, woher kommen diese Eigenschaften, warum fallen sie da?
Verhalten sich Werkstoffe bei mechanischer Belastung auf die eine oder andere Art und Weise? Und wenn wir das herausbekommen wollen, dann müssen wir uns mit dem Aufbau der Werkstoffe beschäftigen. Da fangen wir gleich im nächsten Kapitel an.
Im Kapitel Metallkunde werden wir uns mit dem Aufbau der Werkstoffe, metallischer Werkstoffe, beschäftigen und aus diesem Aufbau der Werkstoffe Eigenschaften ableiten. Wir werden Eigenschaften ableiten, wir werden Einflussfaktoren ableiten und dann bedeutet das, wenn wir das verstanden haben, dass wir dann auch dieses Wissen konkret nutzen können. um Werkstoffeigenschaften zu verändern, um das Werkstoffverhalten zu verbessern. Natürlich, die nächste Stufe wäre dann, wir können neue Werkstoffe entwickeln.
Das funktioniert natürlich analog. Das heißt, zentral wird hier sein, dass wir uns den Aufbau der Werkstoffe anschauen und einfach verstehen, warum sich Werkstoffe so verhalten. Und das gilt nicht nur für die Metalle, das gilt auch für die Polymerwerkstoffe. die wiederum einen anderen Aufbau haben und die sich dann eben anders verhalten.
Wir werden nicht alle Eigenschaften klären können über den Aufbau, wir werden das auch nicht alles verstehen können, aber wir werden zumindest solche Werte, wesentlichen Faktoren verstehen. Gut, jetzt steht hier noch Ermittlung von Schadensursachen drin und an zwei Beispielen möchte ich Ihnen erläutern, wie das Wissen aus der Werkstofftechnik, aus der Werkstoffkunde, das Wissen über das Verhalten von Werkstoffen zur Klärung von Schadensfällen beitragen kann. Hier nun der erste Schadensfall.
1998 kam es bei einem ICE, der von Hamburg nach München fuhr, bei dem Ort Eschede, zu einem sehr tragischen Unfall. Ursache war ein gebrochener Radreifen, dessen Bruchfläche Sie auf diesem Bild sehen. Dieser gebrochene Radreifen führte dazu, dass der Zug, nachdem er eine Weiche überfahren hat, entgleiste, dann an eine Brücke stieß, dieser Wagen, und es zu einem Auffächern der Waggons kam.
Dieser Unfall war ein sehr tragischer Unfall und forderte sehr viele Menschenleben. Wenn Sie möchten, können Sie das auf Wikipedia... Nochmal nachlesen, dort ist der Hergang und die Aufarbeitung dieses Schadens noch einmal sehr gut beschrieben. Hier interessiert uns jetzt natürlich der Zusammenhang zur Werkstofftechnik, zur Werkstoffkunde. Und das, was Sie sehen hier, ist die Bruchfläche des gebrochenen Radreifens.
Wenn Sie hier unten diesen Bereich sehen, dann wäre das quasi die Schiene. auf der das Rad läuft und hier oben ist quasi das Rad. Gut, das ist die Bruchfläche. Wenn Sie etwas Ahnung haben am Ende des Kurses, spätestens von Werkstofftechnik, dann werden Sie hier ganz deutliche Unterschiede auf dieser Bruchfläche sehen und auch beschreiben können.
Denn der Werkstoff sagt uns, was mit ihm gemacht wurde. Und das ist natürlich wichtig bei dem Herausfinden der Schadensursachen. Also dieses Teil ist hier. Ein sehr wichtiges Indiz, um sagen zu können, was passiert ist. Was sehen wir?
Wir sehen hier auf dieser Bruchfläche, ich zeichne jetzt nicht alle nach, aber Sie sehen ganz viele Linien, die hier so halbelliptisch von einer Stelle ausgehen. Und diese Stelle, das können wir jetzt hier schon so sagen, ist der sogenannte Rissausgang. An dieser Stelle hat sich in diesem Radreifen während der Belastung ein Riss gebildet und dieser Riss ist dann sukzessive in diesen Radreifen hinein gewachsen. Sie sehen, dass es also einen Zeitpunkt gegeben haben muss, wo quasi in diesem Radreifen ein sehr großer Riss drin war und dieser Radreifen hat sozusagen trotzdem noch gehalten. Wir haben hier, bis hierhin geht das ungefähr, eine Bruchfläche.
Das ist quasi alles das, was ich bisher bezeichnet habe. Das ist eine Bruchfläche. die durch zyklische Belastung entstanden ist. Sukzessive ist also hier ein Riss in diesem Bauteil vorhanden gewesen, der sukzessive gewachsen ist. Weiterhin gibt es einen anderen Bereich der Bruchfläche, der auch auf diesem Bild deutlich anders aussieht.
Das ist in diesem Fall nur ein sehr kleiner Bereich und dieser Bereich zeigt Merkmale einer Bruchfläche, die durch eine statische Belastung entstanden ist. Das ist also hier ein sehr kleiner Bereich im Vergleich zu dieser Bruchfläche, die durch zyklische Belastung entstanden ist. Man nennt das auch die sogenannte Ermüdungsbruchfläche.
Und hier unten, dieser kleine Bereich, das ist der sogenannte Restgewaltbruch. Wie sieht die Belastung aus in diesem Fall? Ich glaube, das nehme ich hier noch an eine andere Farbe.
Es ist ersichtlich. dass wir, wenn wir diesen Radreifen betrachten, einen Belastungszeitverlauf haben, der in irgendeiner Form, ich reife jetzt hier bereits die Spannung hin, dann ist es der Beanspruchungszeitverlauf, hier die Zeit, dass dieser Beanspruchungszeitverlauf definitiv zyklisch ist. Wenn wir uns diese zyklische Beanspruchung anschauen, dann ist es so, dass natürlich der Radreifen am Anfang keinen Riss hatte, aber ich mache das jetzt mal etwas schematisch, zum Beispiel nach einer bestimmten Zeit in diesem Radreifen ein Riss entstanden ist und Wir haben also hier einen Bereich, da hat sich ein Riss gebildet.
Und dieser Riss ist jetzt durch die weitere zyklische Beanspruchung gewachsen. Irgendwann, das sehen wir auf dem Bild, ist Der Restquerschnitt ist so klein, dass dieser Restquerschnitt nicht mehr in der Lage ist, die Beanspruchung zu ertragen. Und was passiert?
In einem Lastanstieg wird es zum Versagen, in diesem Fall dieses Radreifens, kommen. Das heißt, die rote Fläche oder der mehr oder weniger rot markierte Bereich ist der Bereich, der in einer bestimmten Zeit der zyklischen Belandspruchung entstanden ist und dieser sogenannte Restgewaltbruch entsteht dann mit einem Mal. Und das ist etwas, was wir auch, wenn wir uns diesen Festigkeitsnachweis anschauen und hier nochmal die Seite der Belastbarkeit, An der Stelle hatten wir das ja gesagt für eine statische Belastung.
In dem Versuch der Werkstoffprüfung wird die Belastung erhöht, bis das Versagen eintritt. Und in ähnlicher Weise, natürlich nicht nach einer Norm, nach Normbedingungen, tritt das hier bei diesen Radreifen und bei vielen, vielen anderen durch zyklische Belastung beanspruchten Bauteilen auf. Wir haben einen Bereich, der für zyklische Beanspruchung und einen, der durch eine statische Beanspruchung entstanden ist.
Was wir hier sehen, ist ein sehr, sehr kleiner Restgewaltbruch, eine sehr kleine Restgewaltbruchfläche. Was bedeutet das? Der Radreifen. ist in der Lage mit einem sehr viel kleineren Querschnitt die äußere Belastung zu ertragen.
Was bedeutet das? Dieses Bauteil muss mit einer hohen Sicherheit ausgelegt worden sein. Ansonsten wäre der Restgewaltbruch schon bei einem viel kleineren Riss entstanden.
Was können wir hier noch erkennen an diesem Bild? Wir sehen, dass der Rissausgang in diesem Fall nicht von dem Bereich der Fläche der Schiene ausgegangen ist. Die haben gesagt, die Schiene ist hier unten. Und wenn wir den Radreifen einer zerstörungsfreien Werkstoffprüfung unterziehen, wie das in Wartungs... Intervallen, in bestimmten Inspektionsintervallen gemacht wird, dann hätte man auf der Fläche, auf der Lauffläche des Radreifens natürlich nichts erkennen können, weil dieser Riss natürlich von innen gekommen ist.
Das heißt, man hätte ein Verfahren der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung benötigt, die gibt es, um diesen Riss in diesem Radreifen zu erkennen. Das heißt, Sie sehen hier nicht nur, dass Sie diese unterschiedlichen Belastungsarten und etwas über die Sicherheit sagen können, die hier für derartige Radreifen vorliegt, sondern Sie können auch hier erkennen, welche zerstörungsfreien Werkstoffprüfverfahren in der Lage sind, eigentlich diesen Riss in diesem Radreifen zu finden. Gut, das wäre jetzt hier ein Beispiel. Habe ich noch was vergessen? Ja, vielleicht noch etwas.
Also diese Linien, die Sie hier sehen, die auf dieser Bruchfläche vorhanden sind, die ich jetzt teilweise markiert habe, werden auch Rastlinien genannt. Diese Rastlinien kann man mit bloßem Auge sehen. Und diese Rastlinien deuten darauf hin, dass...
der Riss, der Begriff Rast, der Riss, das Rissausbreitung, die Rissausbreitung hat eine Rast gemacht, der Riss ist stehen geblieben. Wir haben natürlich hier eine Belastung des Radreifens, nicht mit einer konstanten Amplitude und auch nicht kontinuierlich, sondern da gab es Stillstandszeiten, unterschiedliche Belastungen, Belastungshöhen und an diesen Stellen sind dann solche sogenannten rastlinien entstand Gut, das soll das erste Beispiel gewesen sein. Und jetzt kommen wir zu einem anderen Beispiel. Auch ein großer Schadensfall, der sich bereits 1987 ereignet hat in einem Kraftwerk in bayerischen Irsching. Dort kam es zu einem Berstschaden einer Niederdruck-Turbinenwelle.
Was ist ein Berstschaden? Wenn Sie sich eine Turbinenwelle vorstellen, die sich natürlich dreht im Betrieb und wenn es da zu einem Bruch dieser Welle kommt, dann nennt man das Bersten. Dann bedeutet das natürlich, wenn sich eine drehende Welle da sozusagen verabschiedet, dass die Teile durch die Fliehkraft alle durch die Gegend fliegen.
In diesem Fall... Sie sehen hier die Abmaße der Welle im ursprünglichen Zustand. Die war also so ungefähr siebeneinhalb Meter lang und in der größten Balligkeit so knapp zwei Meter. Das ist natürlich ein sehr großer Schaden, der dann an den umliegenden Gebäuden entsteht, wenn also hier die Teile durch die Gegend fliegen.
Und das, was Sie auf diesem Bild hier sehen, ist das größte Schadensteil, was bei der Gelegenheit auch durch das Haus des Gebäudes über den Ort im Feld geflogen ist und im Feld gelandet ist. Und dieses Schadensteil, was Sie hier sehen mit seiner Bruchfläche, zeigt auch wieder ganz deutliche Merkmale. Was sind das für Merkmale? Wir sehen, wenn wir uns diese Bruchfläche anschauen, hier im Inneren einen Bereich, der nicht so ist, wie er sein soll.
Jetzt schreibt mein Stift. Ja, jetzt habe ich. Also hier sehen wir einen Bereich, der... Nicht so ist, wie er sein soll.
Sie sehen diesen Bereich hier rechts nochmal in einer größeren Vergrößerung. Was sehen wir hier? Das ist also auch hier schon genannt. Wir sehen hier Fehlstellen im Inneren.
Diese Fehlstellen sind herstellungsbedingt. Das heißt, diese Fehlstellen, hier also sogar eine Fehlerkette, sind schon immer in dieser Welle drin gewesen. Diese Welle war übrigens 15 Jahre im Einsatz. Die ist bei der Herstellung einer zerstörungsfreien Werkstoffprüfung unterzogen worden.
Welches Verfahren ist geeignet, hier solche Herstellungsfehler zu finden? Das ist die Ultraschallprüfung. Das ist auch das, was gemacht wird.
Aber wenn Sie sich die Ultraschallprüfung anschauen, dann werden Sie merken, Sie bekommen als Ergebnis keine konkrete Angabe, dass sich in diesem Bauteil eine ganz bestimmte Fehlerkette befindet, sondern Sie bekommen eine sogenannte Anzeige. Diese Anzeige bei der Ultraschallprüfung ist eine Laufzeit eines Messsignals, eine Anzeige. Das ist eine physikalische Größe einer...
Amplitude und einer Laufzeit eines Signals. Und daraus muss jetzt geschlossen werden, dass sich an dieser Stelle ein Fehler oder eine Fehlerkette in einer bestimmten Größe befindet. Das ist nicht ganz einfach.
Ultraschallprüfung als Verfahren der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung wird im Kapitel Werkstoffprüfung noch einmal erläutert. Aber das ist also jetzt hier der Befund und wenn wir uns das Ganze anschauen und ich nehme jetzt hier schon mal ganz bewusst die blaue Farbe, dann sehen wir auf der Bruchfläche auch hier wieder solche Striche, die irgendwie auf diesen Fehler, auf dieses Fehlerfeld zuführen. Was sehen wir generell in diesem Bild? Wir sehen ein Bruchstück.
Wenn Sie die anderen Bruchstücke nähen, dann können Sie diese Bruchstücke zusammensetzen und Wir haben quasi wie bei einem Puzzle hinterher wieder die komplette Welle. Was bedeutet das? Das ist ein sogenannter Spreutbruch.
Das Gegenteil von Sprötbruch ist ein Zähbruch. Wir werden uns im Bereich der Werkstoffprüfung mit diesen verschiedenen Werkstoffverhalten Spröt oder Zäh beschäftigen. In diesem Fall zeigt diese Bruchfläche, dieser gesamte Schaden, Merkmale eines Sprötbruchs.
Wie ist dieser Schaden entstanden? Im Grunde genommen sehen Sie, ich habe schon das Blau gemarkert, diese gesamte Bruchfläche, die wir hier eigentlich fast überall sehen, ist eine Bruchfläche, die durch eine statische Beanspruchung entstanden ist. Spröt und Zäh hat immer etwas mit statischer Beanspruchung zu tun. In diesem Fall, wenn man sich diese Fehler, und das hat man gemacht, genäher anschaut, dann sieht man neben diesen, oder wenn man sich diese, zum Beispiel, ich nehme mal diesen Fehler B, mit seiner ungleichen Berandung, ganz typisch für einen Herstellungsfehler, anschaut, dann sieht man, das sehen Sie jetzt nicht, das müssen Sie mir glauben, dass es also hier so Bereiche gibt, die ein bisschen anders aussehen als der innere Bereich.
Diese wenigen Millimeter breiten sogenannte Säume, ich schreibe das mal hier hin, wenige Millimeter Breite, also ein Saum, das ist so ein Rand. Mehrzahl von Saum heißt Säume. Also es gibt hier so Randbereiche, die nur wenige Millimeter breit sind.
Und diese sind durch zyklische Belastung entstanden. Das heißt, wir haben hier gerade das Gegenteil. Wir haben Bruchflächen durch zyklische Belastung, die sehr klein sind.
Und wir haben sehr, sehr viel Restgewaltbruch auf. dieser Bruchfläche. Aber ich notiere das erstmal, Bruchfläche durch zyklische Beanspruchung. Auch hier wieder gleiche Situation, wenn wir uns den Belastungszeitverlauf mal schematisch anschauen, dieser Welle. Dann wird es auch hier eine zyklische Belastung gegeben haben.
Es gibt natürlich auch eine statische Belastung. Die Fliehkraft, wenn die Welle ihre Drehzahl erreicht hat, die Fliehkraft ist eine statische Belastung. Aber egal, durch zyklische Belastung, die zyklische Belastung, das sind hier die An-und Abfahrten. Das heißt, die Welle wird angeschaltet, die Welle wird abgeschaltet. Und das passiert in 15 Jahren, die diese Welle im Einsatz war, relativ häufig.
In diesem Fall weiß ich es ganz genau, 835 Mal. Das heißt, das wäre hier die zyklische Belastung gewesen. Und auch hier gab es natürlich diesen Ausgangsfehler.
Und jetzt ist dieser Ausgangsfehler durch die zyklische Belastung. irgendwie gewachsen und irgendwann in diesem Fall haben also wenige Millimeter ausgereicht, um aus dem Herstellungsfehler einen Fehler zu machen, der zum Bruch dieser gesamten Welle geführt hat. Auch hier kriegt man das nur raus. Wenn man diese Bruchfläche untersucht, wenn man Werkstoffeigenschaften kennt, wie sie bei zyklischer Belastung vorliegen für diesen Werkstoff, wie sie bei statischer Belastung vorliegen. Hinzu kommt noch die Fertigung, denn wir haben es hier mit typischen herstellungsbedingten Fehlern zu tun.
Während, darüber habe ich noch gar nicht gesprochen, wenn wir uns nochmal das andere Beispiel anschauen, dann haben wir ja hier einen Rissausgang, wo wir sagen, da ist jetzt also ein Riss entstanden und bei der Gelegenheit, das erwarten wir eventuell an Stellen, wo wir die höchste Beanspruchung berechnet haben. Also wenn ich jetzt hier wieder zum Festigkeitsnachweis gehe, dann mache ich natürlich diesen Festigkeitsnachweis mit der Belastung, die am höchsten ist in meinem Bauteil. Dann suche ich mir die Stelle aus, wo die Konstruktion am schwächsten ist, wo ich die höchste Beanspruchung ermittle. Was wir jetzt hier sehen, ist nicht unbedingt Warum auch immer, ein Riss ist entstanden an einer Stelle, die man nicht vermutet hat, weil man nicht vermutet hat oder weil man nicht berechnet hat, dass diese Stelle die höchst beanspruchte Stelle ist. An dieser Stelle haben natürlich diese herstellungsbedingten Fehler diese Welle geschwächt und haben dazu geführt, dass diese Fehler plus der äußeren Beanspruchung zu einer Ausbreitung dieser Fehlstellen geführt hat.
Sicher gibt es ganz viele Bauteile, wo wir Fehlstellen haben, die nicht zum Versagen, zum Schaden führen, weil sie sich an Stellen befinden, die nur geringfügig beansprucht sind. Aber an dieser Stelle, dieser Schadensfall einfach, wir haben herstellungsbedingte Fehler, nochmal hier. Am Rissausgang wurde kein herstellungsbedingter Fehler gefunden, hätte man ja auch vermuten können.
Muss man untersuchen mit mikroskopischen Methoden, hat man hier nicht gefunden. Und damit ist die Herstellung an dieser Stelle nicht die Ursache dafür, dass hier ein Riss entstanden ist und dass es zu diesem Schaden gekommen ist. An dieser Stelle also möchte ich...
Abschließen. Auf jeden Fall sagt uns der Werkstoff, wenn wir ihn untersuchen nach Schadensfällen, was man mit ihm gemacht hat. Allerdings nur, wenn man Ahnung hat, welche Eigenschaften Werkstoffe bei den verschiedenen Belastungsarten und bei den verschiedenen Belastungszeitverläufen hat.
Und natürlich auch hier. Können wir etwas über die Sicherheit sagen? Also es muss die ganze Zeit schon sehr knapp gewesen sein, dass dieses Bauteil innerhalb der 15 Jahre nicht versagt hat. Aber so ist das im Leben. Erst wenn wir eine bestimmte Grenze erreichen, passiert was.
Und dafür interessieren wir uns in der Werkstofftechnik.