Bruchlabor: die Ursache eines industriellen Bruchs identifizieren

Ein industrieller Bruch kann unmittelbare Auswirkungen auf die Produktion, die Sicherheit, die Produktkonformität und die Wartungskosten haben. Wenn ein Bauteil bricht, geht es nicht nur darum, den Ausfall festzustellen, sondern die Ursache des Bruchs präzise zu bestimmen: punktuelle Überlastung, mechanische Ermüdung, Stoß, übermäßige Verformung, Korrosion, externe Verschmutzung, Materialfehler oder metallurgische Nichtkonformität. Unser Bruchlabor unterstützt Industrieunternehmen aller Branchen bei der Analyse von Brüchen an Metallen, Verbundwerkstoffen und Polymeren und stützt sich dabei auf eine an den Einsatzkontext angepasste fraktografische und werkstoffkundliche Vorgehensweise. Je nach Bedarf kann die Untersuchung durch weitere Expertisen in unserem Werkstofflabor ergänzt werden, um den Bruch mit den Materialeigenschaften und den tatsächlichen Einsatzbedingungen in Verbindung zu bringen.

Die Analyse kann mehrere Ausfallmechanismen aufzeigen: spröder Bruch, duktiler Bruch, Ermüdungsbruch, Ermüdung, Überlastung, heftiger Stoß, übermäßige Verformung, Spannungsrisskorrosion, das Vorhandensein von Einschlüssen, mikrostrukturelle Inhomogenitäten, Fehler bei der Wärmebehandlung, falsche Werkstoffsorte, Oberflächenverunreinigung oder eine ungünstige Wechselwirkung mit der Umgebung. Bei Polymeren und Verbundwerkstoffen kann die Untersuchung auch auf Alterung, thermische Degradation, Haftungsverlust oder Versprödung des Materials abzielen, bei Bedarf mit Unterstützung durch eine Analyse von Polymeren mittels TGA im Labor.

Die technischen Mittel werden je nach Art des Bauteils und vermutetem Mechanismus ausgewählt. Die Beobachtung des Bruchbilds kann zunächst mit dem Stereomikroskop und anschließend mit MEB-EDX erfolgen, um die Bruchmorphologie zu untersuchen und lokal chemische Elemente zu identifizieren. Der Nachweis einer Nichtkonformität kann auf Vickers-, Brinell- oder Rockwell-Härteprüfungen, eine metallografische Untersuchung mit dem Lichtmikroskop sowie Zusammensetzungsanalysen mittels ICP oder Elementaranalyse gestützt werden. Diese Werkzeuge sind besonders nützlich für metallische Bauteile, Beschichtungen und Baugruppen, die hohen Belastungen ausgesetzt sind.

Eine reine Sichtprüfung reicht nicht immer aus, um den Anriss, die zeitliche Abfolge der Ausbreitung und die tieferliegenden Ursachen des Ausfalls zuverlässig zu identifizieren. Ein spezialisiertes Labor liefert Beobachtungen auf verschiedenen Skalen, objektivierbare Messungen und Vergleiche mit intakten Bereichen oder technischen Spezifikationen. Dieser Ansatz ist entscheidend, um eine Nichtkonformität zu bewerten, eine Korrekturmaßnahme einzuleiten, ein kontradiktorisches Gutachten zu dokumentieren oder eine Werkstoffwahl zu validieren.

Die Expertise des Labors beruht auf der Beobachtung des Bruchbilds, dem Vergleich mit intakten Bereichen oder nicht gebrochenen Bauteilen sowie der Charakterisierung von Zusammensetzung, Mikrostruktur, Härte und eventuellen Verunreinigungen. Die Analysen können MEB-EDX, Stereomikroskopie, Lichtmikroskopie, Vickers-, Brinell- oder Rockwell-Härteprüfungen sowie chemische Analysen mittels ICP, GC-MS, LC-QTOF, XPS oder anderer Oberflächentechniken je nach Art des Schadens umfassen. Dieser Ansatz ermöglicht es, den Anriss zu lokalisieren, die Ausbreitung nachzuvollziehen, den Bruchmechanismus zu bewerten und die verstärkenden Faktoren zu identifizieren, die mit der Umgebung, der Beschichtung oder dem Oberflächenzustand zusammenhängen. Um bestimmte Fälle weiter zu vertiefen, kann die Untersuchung durch eine MEB-Analyse oder durch eine Expertise in der Analyse der Oberfläche von Verbundwerkstoffen ergänzt werden.

Die fraktografische Beobachtung ermöglicht es, das Bruchszenario anhand der auf dem Bruchbild sichtbaren Merkmale zu rekonstruieren: Ermüdungsrisse, Ausbreitungszonen, lokalisierter Anriss, Dimple-Strukturen beim duktilen Bruch, spröder Spaltbruch, Korrosionsprodukte, Ausrisse, Reibspuren oder exogene Ablagerungen. Der Abgleich mit Oberflächenzustand, Rauheit, Haftung, Härte und Mikrostruktur ermöglicht es, eine primäre Ursache von einem beitragenden Faktor zu unterscheiden.

Wenn die Umgebung als Ursache in Betracht kommt, kann das Labor oxidierende, korrosive oder kontaminierende Stoffe im Bereich der Bruchzone oder in Auslaugungen mittels ICP, GC-MS, LC-QTOF oder XPS je nach Matrix und erwarteten Verbindungen untersuchen. Bei Oberflächenfehlern oder Haftungsproblemen können topografische Untersuchungen, Rauheitsmessungen, Analysen der Oberflächenbehandlung und der Oberflächenverunreinigung durchgeführt werden. Diese Untersuchungslogik gilt auch für Verbundwerkstoffe und Polymere im Zusammenhang mit den Fachkompetenzen des Labor für Werkstoffe.

Der Nutzen einer Laboranalyse von Bruch liegt auch darin, die Unsicherheiten vor der Wiederinbetriebnahme, einem Redesign, einem Lieferantenwechsel oder einer Prozessüberprüfung zu verringern. Die Analyse ermöglicht es, die wahrscheinliche Verantwortung von Werkstoff, Oberflächenzustand, Wärmebehandlung, Umgebung oder Nutzung zu beurteilen. Für den Industriebetrieb bedeutet das schnellere, besser begründete und technisch belastbare Entscheidungen.

Es wird empfohlen, das gebrochene Teil und seine Fragmente aufzubewahren, die Einsatzbedingungen, die Fertigungshistorie, die aufgetretenen Belastungen und die Einsatzumgebung zu dokumentieren und diese Informationen anschließend zusammen mit einem Referenzteil, falls verfügbar, an das Labor zu übermitteln. Diese Vorbereitung erleichtert die Identifizierung der Ursache eines industriellen Bruchs und beschleunigt die Formulierung von Korrekturmaßnahmen. Das Labor kann den Industriebetrieb anschließend dabei unterstützen, zu analysieren, zu vergleichen, zu charakterisieren, die Hypothesen zu bestätigen und die weiteren technischen Schritte auszurichten.