Wie FILAB einem seiner Kunden geholfen hat, die Ursache des Bruchs einer Stahlkolbenstange zu bestimmen?
Ein Kolben ist ein entscheidendes mechanisches Bauteil in vielen mechanischen Anlagen und auch in technischen Systemen. Kolben ermöglichen verschiedene Anwendungen, insbesondere die Umwandlung von Energie, die Erzeugung von Druck, die Steuerung von Fluiden, die Dämpfung usw.
Der Kunde wandte sich an FILAB, ein auf Materialcharakterisierung und chemische Analysen spezialisiertes Labor, um die Ursache des Bruchs einer Stahlkolbenstange zu bestimmen. Zunächst wollte er die Güte dieses Teils überprüfen und anschließend eine fraktografische Untersuchung durchführen lassen.
Bestimmung der Stahlgüte
Welche Analysetechniken hat das Labor FILAB beschlossen einzusetzen, um die chemische Analyse des defekten Kolbens durchzuführen?
Analysen mit dem Elementaranalysator
Die chemische Analyse mit dem C/S-Elementaranalysator hat zum Ziel, den Kohlenstoff- und Schwefelgehalt der Probe gezielt zu bestimmen.
Analyse mittels ICP-AES
Die Analyse mittels Atomemissionsspektroskopie mit induktiv gekoppeltem Plasma (ICP-AES) dient dazu, die in der Probe vorhandenen chemischen Elemente zu identifizieren und zu quantifizieren.
Diese chemischen Analysen des Kolbens haben gezeigt, dass die ermittelten Gehalte mit denen eines unlegierten Baustahls übereinstimmen.
Fraktografische Analyse des Kolbens
Beobachtung mit der Stereolupe
Die Stereolupe ermöglicht makroskopische Beobachtungen. Die mit der Stereolupe durchgeführten Beobachtungen führten zu den folgenden Erkenntnissen:
- Die Bruchinitiierungszone verläuft entlang eines Teils des Bauteilumfangs und ist einige Millimeter dick.
- Der Großteil der Bruchfläche weist ein glänzendes und körniges Erscheinungsbild mit Propagationslinien und Reliefs auf. Dunkle Bereiche sind vorhanden und können Verunreinigungen oder Korrosion entsprechen, die nach dem Bruch des Bauteils aufgetreten sind. Einige Bereiche mit Stauchungen (durch Stöße nach dem Bruch verformte Zonen) sind ebenfalls in geringem Umfang vorhanden.
- Die Zone des Endabrisses wurde beobachtet. Sie verläuft über einen kleinen Abschnitt entlang des Bauteilumfangs.
Detaillierte Untersuchungen mittels REM-EDX
- In der Bruchinitiierungszone wurden Mikrostreifen identifiziert. Sie können auf ein Ermüdungsphänomen des Bauteils zurückzuführen sein. Dieser Bereich der Bruchfläche ist reich an Kohlenstoff (C), doch diese Konzentration stammt wahrscheinlich von organischen Verunreinigungen an der Oberfläche.
- Der Großteil der Bruchfläche entspricht einem transgranularen Sprödbruch mit dem Vorhandensein von Spaltflüssen, was auf einen plötzlichen Bruch hinweist.
- Die Zone des Endabrisses weist Grübchen auf, die mit einem duktilen Bruch übereinstimmen. Wie in der Bruchinitiierungszone sind zahlreiche organische Verunreinigungen vorhanden.
Die erzielten Ergebnisse...
Die in dieser Studie durchgeführten chemischen Analysen ermöglichten es, die Beschaffenheit des Kolbens zu bestimmen, der sich als unlegierter Baustahl erwies.
Darüber hinaus wurde im Rahmen der fraktografischen Analyse festgestellt, dass die Bruchinitiierungszone an einem Teil des Bauteilumfangs identifiziert wurde. Sie weist Mikrostreifen auf, die auf ein Ermüdungsphänomen zurückzuführen sein können (mechanische Belastungs- und Entlastungszyklen bei Biegung).
Der Großteil der Bruchfläche entspricht einem transgranularen Sprödbruch mit dem Vorhandensein von Spaltflüssen, was auf einen plötzlichen Bruch hinweist.
Fazit der Studie
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Häufige Fragen
Wie lässt sich die Ursache für den Bruch einer Stahlkolbenstange bestimmen?
Die Untersuchung umfasst die Überprüfung der Stahlzusammensetzung und die Analyse des Bruchbildes. In dieser Studie setzte FILAB die Elementaranalyse C/S, ICP-AES, die Stereolupe und REM-EDX ein. Diese Kombination ermöglichte die Identifizierung des Materials und die Unterscheidung mehrerer Phasen im Bruchmechanismus.
Warum sollte die Stahlsorte überprüft werden, bevor ein Kolbenbruch interpretiert wird?
Die chemische Zusammensetzung ermöglicht es, die Übereinstimmung des Materials mit der erwarteten Stahlsorte zu überprüfen und den Untersuchungsrahmen festzulegen. Für diese Kolbenstange waren die mittels Elementaranalyse und ICP-AES gemessenen Gehalte mit einem unlegierten Baustahl vereinbar. Dieses Ergebnis ergänzt die fraktografische Untersuchung, erklärt jedoch allein nicht die Ursache des Versagens.
Welche Anzeichen können auf den Beginn eines Ermüdungsbruchs hindeuten?
Mikrostreifen im Ausgangsbereich können auf einen Ermüdungsmechanismus unter wiederholter Beanspruchung hindeuten. In dieser Studie wurden sie an einem Teil des Umfangs des Stabs beobachtet. Ihre Interpretation muss unter Berücksichtigung der Geometrie des Bauteils und seiner Belastungshistorie erfolgen, insbesondere im Hinblick auf mögliche Biegezyklen.
Was bedeuten die auf einer Bruchfläche beobachteten Spaltlinien?
Spaltlinien sind Hinweise auf eine transkristalline Sprödbruchart. Auf dem untersuchten Stab nahmen sie den größten Teil der Bruchfläche ein und zeugten von einer abrupten Rissausbreitung. Sie wurden von den Mikrokerben im Initiierungsbereich und den Waben im abschließenden Abrissbereich unterschieden.
Kann eine Kolbenstange auf derselben Oberfläche mehrere Brucharten aufweisen?
Mehrere Brucharten können nacheinander an demselben Bauteil auftreten. In diesem Fall zeigte die Untersuchung einen mit Ermüdung vereinbaren Rissbeginn, einen überwiegend spröden Bereich und einen abschließenden duktilen Ausriss. Diese Gesamtbetrachtung ermöglicht eine präzisere Rekonstruktion des Schadensverlaufs als eine Untersuchung, die auf einen einzelnen Bereich beschränkt ist.