Worin besteht die Problematik?
Untersuchung des Bruchbilds einer Metallverankerung: Wie hat FILAB die Ursache des Versagens gefunden?
Eine Metallverankerung ist ein Bauteil, das verwendet wird, um Elemente sicher an einer Struktur oder einem Träger zu befestigen. Diese Verankerungen sind dafür ausgelegt, hohen Belastungen standzuhalten, einschließlich Zug- und/oder Scherbelastungen, und werden häufig verwendet, um Strukturelemente an Beton oder anderen Baustoffen zu befestigen.
Ziel dieser Studie ist die Begutachtung einer gebrochenen Metallverankerung, um die Ursache dieses Versagens zu identifizieren. Der Kunde möchte nämlich die Sicherheit und Zuverlässigkeit seiner Umgebung optimieren sowie die Langlebigkeit seiner Anlagen verbessern. Diese Verankerung besteht aus Edelstahl und dient zur Abstützung von Schamottplatten in Öfen zur Herstellung von Ton oder Ziegeln.
Um diese Ursache zu identifizieren, führte FILAB zunächst fraktografische Analysen und anschließend eine Werkstoffzustandsbewertung des Stabs mithilfe verschiedener Techniken an zwei Proben durch.
Fraktografische Analysen
Die beiden Teile wurden in der Werkstatt von FILAB sorgfältig zugeschnitten, um ihr Bruchbild mit der Stereolupe und dem REM-EDX zu beobachten.
Die Technik der Stereolupe
Die mit der Stereolupe durchgeführten optischen Beobachtungen führten zu folgenden Ergebnissen:
Am Rand beider Bruchflächen wurde eine Abflachung beobachtet.
Die beiden Bruchflächen des Bauteils weisen ein korrodiertes Erscheinungsbild auf.
Das REM-EDX
Die durchgeführten REM-Beobachtungen und EDX-Analysen führten zu folgenden Ergebnissen:
- Es wurden Grübchen identifiziert, die einem Bereich des Endabbruchs beim Bruch des Bauteils entsprechen können.
- Der Großteil beider Bruchflächen ist mit Korrosion bedeckt, die aus Sauerstoff (O), Chrom (Cr), Nickel (Ni) und Eisen (Fe) besteht.
- Im REM wurden Bereiche mit Facetten beobachtet, die für einen spröden interkristallinen Bruch des Bauteils charakteristisch sind. Die EDX-Analysen zeigen ihrerseits hohe Gehalte an Eisen (Fe) und Chrom (Cr), jedoch ohne Nickel (Ni), was auf einen Phasenunterschied in diesen Bereichen hindeuten kann.
Werkstoffzustandsbewertung
Elementaranalyse von C und S sowie Analyse mittels ICP-AES
Die Ergebnisse der an den beiden Metallverankerungen durchgeführten chemischen Analysen entsprechen den Spezifikationen der Güte X6CrNi25-20 (1.4951) gemäß der Norm NF EN 10088-1.
Mikrographische Analyse
In diesem Schritt wurde die Bruchfläche mit einer Mikrosäge in Längsrichtung geschnitten, um die Mikrostruktur nahe der Bruchzone und im Kern des Bauteils zu beobachten. Die Probe wurde anschließend in einem Acrylharz kalt eingebettet und bis zur Körnung 0,15 μm poliert.
Die durchgeführten lichtmikroskopischen Beobachtungen führten zu folgenden Ergebnissen:
- Vor der chemischen Ätzung weist der Kern der Probe einige kleinformatige Porositäten auf. An der Oberfläche sind großformatige Porositäten und eine dicke Korrosionsschicht vorhanden.
- Nach der chemischen Ätzung sind über die gesamte Probe Zwillingkörner (Bänder in den Körnern) sichtbar. Diese Körner sind charakteristisch für die Austenitphase und stimmen mit der Güte des Edelstahls überein.
- Sigma-Phasen-Ausscheidungen sind im Kern der Probe gleichmäßig verteilt. An der Oberfläche befinden sich diese Ausscheidungen an den Korngrenzen.
Härtemessung
Die Härtemessungen wurden an der zuvor beobachteten metallografischen Probe durchgeführt. Es zeigt sich, dass je nach Bereich der Probe unterschiedliche Härtewerte festzustellen sind. Die Oberflächenhärte ist höher als die Kernhärte. Außerdem liegt die Kernhärte unter den für diese Güte theoretisch erwarteten Werten (158 HV statt 160–225 HV).
Die erzielten Ergebnisse
Die in dieser Studie durchgeführten Analysen führten zu folgenden Ergebnissen:
Fraktografische Analysen:
Der Großteil beider Bruchflächen ist mit Korrosion bedeckt. Sie bestehen zudem überwiegend aus Sauerstoff, Chrom, Nickel und Eisen. Es wurden Grübchen identifiziert, die einem Bereich des Endabbruchs beim Bruch des Bauteils entsprechen können.
Werkstoffzustandsbewertung:
Die Ergebnisse der chemischen Analysen entsprechen den Spezifikationen der Güte X6CrNi25-20 (1.4951) gemäß der Norm NF EN 10088-1.
Die mikrographischen Analysen führten zu folgenden Ergebnissen:
An der Oberfläche sind großformatige Porositäten und eine dicke Korrosionsschicht vorhanden.
Sigma-Phasen-Ausscheidungen sind im Kern der Probe gleichmäßig verteilt. An der Oberfläche befinden sich diese Ausscheidungen an den Korngrenzen.
Fazit der Studie
Zusammenfassend hat die von FILAB durchgeführte Untersuchung gezeigt, dass der betreffende Metallanker durch die langanhaltende Einwirkung hoher Temperaturen (Produktionsofen) eine erhebliche Verschlechterung seiner mechanischen Eigenschaften erlitten hat. Diese Belastung führte zu Veränderungen in der Mikrostruktur des Stahls, insbesondere durch die Migration der Sigma-Phase an die Korngrenzen, wodurch seine Festigkeit abnahm und seine Sprödigkeit zunahm. Das Phänomen des Hochtemperatur-Kriechens, das durch eine fortschreitende Verformung unter dem Einfluss einer konstanten Spannung bei hoher Temperatur gekennzeichnet ist, führte schließlich zum Bruch des Ankers.
Diese eingehende Analyse verdeutlicht, wie wichtig es ist, extreme Einsatzbedingungen bei der Konstruktion und der Materialauswahl für kritische Anwendungen zu berücksichtigen.
So ist der Kunde in der Lage, Lösungen zu finden, um eine Wiederholung zu vermeiden und so die Langlebigkeit seiner Anlagen sowie die Sicherheit und Zuverlässigkeit seiner Umgebung zu verbessern.
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Häufige Fragen
Wie untersucht man die Ursache für den Bruch einer in einem Ofen verwendeten Metallverankerung?
Die Untersuchung kombiniert die Analyse der Bruchflächen mit der Bewertung des Materialzustands. Für diese Verankerung aus Edelstahl führte FILAB Beobachtungen mit der Stereolupe und dem Rasterelektronenmikroskop (REM-EDX), chemische Analysen, eine metallografische Untersuchung sowie Härtemessungen durch. Die Ergebnisse wurden im Hinblick auf die langfristige Einwirkung hoher Temperaturen interpretiert.
Welchen Beitrag leistet die Analyse des Bruchbilds einer Edelstahlverankerung?
Das Bruchbild bewahrt Hinweise auf die Art des Versagens. In dieser Studie zeigten die Beobachtungen eine erhebliche Korrosion, lokal begrenzte Waben und Bereiche mit sprödem intergranularem Charakter. Diese Hinweise leiteten die Untersuchung, doch da ein großer Teil der Oberflächen von Korrosion bedeckt war, mussten sie durch eine Untersuchung des Materials ergänzt werden.
Kann ein Stahl, dessen chemische Zusammensetzung den Vorgaben entspricht, im Betrieb dennoch verspröden?
Eine konforme chemische Zusammensetzung garantiert nicht, dass das Material nach einer betrieblichen Beanspruchung alle seine Eigenschaften beibehält. In dieser Studie stimmten die Analysen mit der Werkstoffgüte X6CrNi25-20 überein, während das Gefüge Ausscheidungen der Sigma-Phase und eine Oberflächenschädigung aufwies. Der metallurgische Zustand muss daher ergänzend zur Zusammensetzung untersucht werden.
Warum sollte in einem bei hohen Temperaturen eingesetzten rostfreien Stahl nach der Sigma-Phase gesucht werden?
Das Vorhandensein und die Verteilung der Sigma-Phase können dazu beitragen, die Versprödung eines bei hohen Temperaturen eingesetzten rostfreien Stahls zu erklären. In diesem Zusammenhang wurden sowohl im Kern als auch an den oberflächennahen Korngrenzen Ausscheidungen beobachtet. Ihr Nachweis half FILAB zusammen mit den anderen Ergebnissen, die Schädigung des Materials zu verstehen.
Wie tragen die Ergebnisse dieser Untersuchung dazu bei, neue Brüche zu verhindern?
Die Untersuchung führte den Ausfall auf die Schädigung des Materials durch eine längere thermische Belastung zurück; in der Studie wurde als Mechanismus Kriechen angenommen. Diese Schlussfolgerungen helfen dabei, die Auswahl der Werkstoffsorte, die angewandten Belastungen, die Temperatur und die Betriebsdauer erneut zu überprüfen. Die Korrekturmaßnahmen müssen an die tatsächlichen Betriebsbedingungen des Ofens angepasst werden.