Zusammenfassung Schadenskunde PDF

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Summary

gesamte Vorlesung zusammengefasst...

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1. Gewaltbruch → Belastung monoton-ansteigend oder schlagartig → 𝜎(𝑡) = 𝜎0 𝑡 𝑥 ; wenn x = 0, dann 𝜎0 = const. => Kriechen → Grundformen: Zug, Druck, Biegung, Torsion (Aussehen) → schubspannungs-, oder normalspannungsorientiert → 𝜎𝑘 ≫ 𝜎, 𝑤𝑒𝑖𝑙 𝜎𝑘 = 𝜎 ∗ [1 +

2𝑎 𝑙

]

allgemein

→ spröde: beschleunigter Rissfortschritt → zäh: Rissfortschritt langsamer bei höherer Spannung → Rissspitze: 𝐾 = 𝜎 ∗ √𝜋 ∗ 𝑎 ∗ 𝑌 1.1. Spröder Gewaltbruch → energiearmer Bruch → Einflussfaktoren: Werkstoff, WS-Zustand, Spannungszustand, Temperatur → geringe oder keine sichtbare plastische Verformung → ebene Bruchfläche → Bruchfläche senkrecht zur Normalspannung → Bruchfläche körnig, stark reflektierend → Scherlippe am Rissende → z.T. faserige Struktur

allgemein

makroskopisch

1.1.1. transkristallin → Spaltflächen (transkristallin) → Stufen, Fließlinien → Zunge → Rosetten (Quasi-Spaltbruch): Vereinigung vieler kleiner Anrisse

mikroskopisch

1.1.2. interkristallin → Korngrenzenflächen – Verunreinigungen auf den Korngrenzen 1.2. Zäher Gewaltbruch / Gleitbruch → hohe Rissenergie, hohe Risszähigkeit (Kc hoch) → langsames Risswachstum → ausgeprägte plastische Verformung → Scherlippen → mattes, seidiges Bruchaussehen → sichtbare Einschnürung → Wabenbruch → Porenbildung, Orte hoher Spannungskonzentrationen → Zusammenwachsen von Poren → Waben → duktile Werkstoffe: wenige, große, tiefe Waben → spröde Werkstoffe: viele, kleine, flache Waben

allgemein

makroskopisch

mikroskopisch

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2. Schwingbruch / Dauerbruch / Ermüdungsbruch 2.1. Allgemein → Belastung periodisch wechselnd → 𝜎(𝑡) = 𝜎𝑚 + 𝜎𝑎 ∗ sin(𝜔𝑡) bzw. 𝜀(𝑡) = 𝜀𝑚 + 𝜀𝑎 ∗ sin(𝜔𝑡) → Rissbildung können lokale Ver-, Entfestigungen vorangegangen sein

2.2. Rissausbreitung stabil / instabil → plastische Verformung an der Rissspitze → Abgleiten in zwei Gleitsystemen

→ 𝛥𝐾 = 𝛥𝜎 ∗ √𝜋 ∗ 𝑎 ∗ 𝑌 → Spannungsintensitätsamplitude (Rissspitze)

→ 𝐵𝑒𝑟𝑒𝑐ℎ𝑛𝑢𝑛𝑔 𝛥𝐾0 = [(2,75 ± 0,75) ∗ 10−5 (1 −

𝜎𝑢 0,31 ) 𝜎𝑜

]∗𝐸

1. unkritisch → small cracks → τ-orientiert → Risse mit

𝑑𝑎

𝑑𝑁

< 10-7 gelten als nicht ausbreitungsfähig

→ Grenzwert: K0 oder Kth 2. subkritisch – stabil → stabile Rissausbreitung nach Paris: → 𝜎𝑛 -orientiert → 10−7 <

𝑑𝑎

𝑑𝑁

𝑑𝑎

𝑑𝑁

= 𝐶𝛥𝐾 𝑛

< 10−3

3. kritisch – instabil → Übergang zur instabilen Rissausbreitung →

𝑑𝑎

𝑑𝑁

> 10−3

→ Grenzwert: ΔKc 2.3. Bruchaussehen → Schwingbruch oder Dauerbruch → makroskopisch verformungslos → matt, samtartig, glatte Bruchfläche → oft mit Rastlinien durch Rissstillstand / Belastungswechsel → Rastlinien konzentrisch um Rissbeginn → Rissbeginn häufig an Oberfläche zur Beurteilung der Belastung:

makroskopisch

𝑺𝒄𝒉𝒘𝒊𝒏𝒈𝒃𝒓𝒖𝒄𝒉𝒇𝒍ä𝒄𝒉𝒆 𝑹𝒆𝒔𝒕𝒃𝒓𝒖𝒄𝒉𝒇𝒍ä𝒄𝒉𝒆

→ Gleitbänder auf der Oberfläche → Schwingstreifen auf der Bruchfläche → Breite des Schwingstreifens ≜ 𝑑𝑎

mikroskopisch

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3. Risse und Brüche im Zusammenhang mit Schweißnähten 3.1. Gefüge und Eigenspannungen von Schweißnähten → Gefügebeeinflussung durch Schweißwärme (WEZ beachten) → Schweißeigenspannungen durch Schrumpfen (Überlagerung mit Lastspannungen) 3.2. Fertigungsbedingte Risse – Zusammenwirken ungünstiger Faktoren 3.2.1. Heißrisse (Warmrisse) Σ3 → bilden sich im 2-Phasengebiet zwischen Solidus- und Liquiduslinie unter Einwirkung von Zugspannungen z.B. durch Behinderung der Schrumpfung → besonders ausgeprägte Neigung bei Austeniten → Interkristallin 3.2.1.1.

Erstarrungsriss (1)

→ bei der Erstarrung reichert sich die Restschmelze vor der Kristallisationsfront mit Elementen an, die die Erstarrungstemperatur erniedrigen können (C, S, P, Si, Nb) → Neigung steigt mit größerem Erstarrungsintervall → Entstehung innerhalb des Schweißguts 3.2.1.2.

Wiederaufschmelzungsriss (2)

→ niedrigschmelzende Phasen (Eutektika) auf Korngrenzen werden aufgeschmolzen → Seigerungen senken zusätzlich den Schmelzpunkt nahe der Korngrenzen → WAR befinden sich neben dem zuletzt erzeugten Schweißgut und können in diese hineinwachsen → Neigung steigt mit größerem Erstarrungsintervall → Korngrenzen besitzen keine metallischen Eigenschaften mehr 3.2.1.3.

Ductility Dip Cracks (3)

→ Ausscheidungen auf Korngrenzen senken lokal die Zähigkeit → DDC beinfinden sich in einem örtlichen Abstand vom zuletzt erzeugten Schweißgut, können auch innerhalb des letzten Schweißguts auftreten 3.2.1.4.

Vermeidung von Heißrissen

→ geringe Gehalte von S, C, Si, Nb, P → konstruktive und fertigungstechnische Vermeidung von Zugspannungen → Werkstoffe mit geringem Wärmeausdehnungskoeffizienten → feinkörniges Gefüge zur Verteilung der Verunreinigungen → bei CrNi-Stählen < 8% δ-Ferrit (löst mehr heissrissfördernde Elemente → geringe Wandstärken

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3.2.2. Kaltrisse Σ2 → besonders bei Martensiten (Schaeffler) 3.2.2.1.

Härterisse

→ Bildung von Martensit oder Bainit in der letzten Phase der Abkühlung → meist in der Grobkornzone (WEZ) oder im Schweißgut → Risse in Hauptspannungsrichtung (Eigenspannungen) → Bruchstruktur verformungsarm → IK entlang der ehemaligen Austenitkorngrenzen → Kaltriss durch Martensit unter mehrachsiger Schrumpfspannung → Kohlenstoffäquivalent Cäq < 0,22 (Schweißeignung) 3.2.2.2.

Wasserstoffinduzierte Kaltrisse

→ bevorzugt in der WEZ oder im Schweißgut → abhängig vom gelösten H2-Gehalt → verzögerte Rissentstehung nach ca. 14 Tagen → Erscheinungsform wie Heißrisse aber transkristallin (seltenst IK) → Mikroporen auf den Korngrenzen → Vermeidung durch H-arme Zusatzwerkstoffe, Schutzgasschweißen oder Wasserstoffarmglühen 3.2.3. Lamellenrisse / Terrassenbruch → längliche Einschlüsse (MnS) in gewalzten Blechen → Rissbildung ausgehend von Nichtmetallischeneinschlüssen bei Schrumpfbehinderung → Bruch entlang der Einschlüsse → zeilige und körnige Einschlüsse in der Bruchfläche → Vermeidung durch geringe Spannungen senkrecht zur Blechoberfläche, hohe Reinheit von Schwefel < 0,004 % 3.2.4. Relaxationsrisse → entstehen beim Glühen (Sarmglügen) oder in der ersten Betriebsphase in der Grobkornzone der WEZ → bei stabilisierten CrNi-Stählen → bei niedriglegierten warm- und hochfesten Baustählen (Cr,Mo,V,Nb) → ausscheidungshärtende Ni-, Cu-, Al-Legierungen → Schwächung der Korngrenzen gegenüber dem Korn → Ausscheidungen im Korn → Korngrenzenseigerung → makroskopisch: spröde; mikroskopisch: duktil (Erscheinungsform) → IK entlang der ehemaligen Austenitkorngrenzen oder in der Grobkornzone bei NE → Vermeidung durch Verringerung der Schweißeigenspannungen, Grobkornbereichen

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4. Betriebsbedingte Risse und Brüche 4.1. Gewalt- und Schwingungsrisse durch zulässige Schweißfehler → statische und zyklische Überlast → Härtezonen (metallurgische Kerben) → Spannungsüberhöhung durch erlaubte Schweißfehler, z.B. geometrische Kerben → ungenügende Durchschweißung → Bindefehler → Einbrandkerben → Schlackeneinschlüsse, Porennester → Erscheinungsform wie Gewalt- und Schwingungsrisse → Gegenmaßnahmen: konstruktiv und fertigungstechnisch 5. Thermisch bedingte Risse und Brüche → mechanisch bedingte Schäden durch gleichzeitige Temperatureinwirkung → im Zusammenhang mit Hochtemperaturkorrosion 5.1. Kriechriss, Kriechbruch → zeitabhängige fortschreitende plastische Verformung bei konstanter Last → 3 Bereiche, log. Kriechen, Gleichgewicht zwischen Verfestigung, Korngrenzenabgleitung → Einsetzen bei 0,4 – 0,6 ∗ 𝑇𝑀 [𝐾], mit TM = Schmelztemperatur

→ Klettern und Quergleiten im Bereich II → Porenbildung, Korngrenzendrehung, -abgleitung im Bereich III → bei niedrigen Temperaturen, hoher Belastung: transkristallin → sonst: interkristallin 5.2. Thermoschockriss → Risse durch schroffe Dehnungswechsel aufgrund von Wärmedehnung (Temp. Intervall) → oftmals zusammen mit Verschleiß und Korrosion (Druckguss) → zusammenhängendes Rissnetzwerk auf und unter der Oberfläche → Gegenmaßnahme ist vermeiden oder verhindern von Temperaturwechseln → Werkstoffe mit hoher Zähigkeit und geringer Wärmedehnung einsetzen

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Korrosion → Reaktion des Werkstoffes mit seiner Umgebung mit messbaren Veränderung der Eigenschaften → Ursachen von Korrosion: • • • • • •

Kontakt unterschiedlicher Metalle Inhomogenitäten (Risse, Seigerungen, Cr-Verarmung) Statische/dynamische Zugbeanspruchung Absorption von Wasserstoff Konzentrationsunterschiede von Medien in Löchern, Spalten, unter Ablagerungen Phasenunterscheide, unterschiedliche Strömungsgeschwindigkeiten

Werkstoff

Medium

1. Grundlagen der Korrosion in wässrigen Medien 1.1. Wasserstoff-Korrosion (pH < 5) → sauer → anodische mit kathodischer Reaktion: M + 2H+ → M2+ + H2 → bei niedrigen pH-Werten geht das Metall ungehindert in Lösung ohne Passivierung 1.2. Sauerstoffkorrosion (pH < 5-8) → in neutralen, sauerstoffhaltigen Medien (neben H2-Korrosion) → neutral: O2 + 4 H3O + 4e- → 6 H2O O2 + 2 H2O + 4e- → 4 OH→ durch Hydroxidion (OH-) bilden sich Metallhydroxide → je höher die OH—-Konzentration, desto langsamer die Korrosion, da der pH-Wert steigt Wirksumme gegen Lochfraß: WL = Cr + 3,3 Mo + (16-30) N 2. Gleichmäßig abtragende Korrosion 2.1. Flächenkorrosion → flächig gleichmäßiger Angriff 3. Ungleichmäßig abtragende Korrosion, Lokalkorrosion 3.1. Muldenkorrosion → lokale Unterschiede von Konzentration (Medium), Temperatur, Strömungsgeschwindigkeit → makroskopisch: raue Oberfläche mit muldenförmigem Angriff, unterschiedlich dicke Korrosionsprodukte, kaum Abgrenzung zu gleichmäßig abtragender Korrosion → mikroskopisch: glatte Oberfläche in der Mulde 3.2. Lochkorrosion → Entstehung einer Anode an verletzter Deckschicht (Passivschicht, Schutzschicht, Überzüge) → makroskopisch: statistisch verteile Löcher auf der Oberfläche → mikroskopisch: lochförmige Angriffsbereiche, scharfe Begrenzung des Angriffs → Gegenmaßnahme: Auflegieren (Cr, Mo, N), niedrige Temperatur, Einsatz von Cu und Ni Basis 3.3. Spaltkorrosion → in Spalten verstärkte Korrosion aufgrund von Konzentrationsunterschieden im angr. Medium → makroskopisch: im Spalt verstärkte Korrosion, Korrosionsprodukte meist außerhalb des Spalts → mikroskopisch: deutliche Erweiterung des Spalts zur Tiefe hin → Gegenmaßnahmen: konstruktive Vermeidung von Spalten

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3.4. Korrosion durch unterschiedliche Belüftung → unterschiedliche pH-Werte in der Lösung durch unterschiedliche O-Konz. (Belüftung) → Verunreinigungen von Rohrleitungen → Ablagerungen (Schlamm, Kesselstein) → makroskopisch: mulden-, kraterförmiger Angriff, pustelförmig angehäufte Korrosionsprodukte → mikroskopisch: im Schliff kraterförmig, scharf begrenzte Vertiefung → Vermeidung von Verschmutzung durch Ablagerungen 3.5. Berührungskorrosion → ähnlich wie Spalt- und Kontaktkorrosion → makroskopisch: flache, mulden- bis lochförmige Auskohlungen unter Ablagerungen aus Schlamm, Stein, Sand, etc., direkt unter Ablagerungen, Korrosionsprodukte in Verbindung mit Fremdstoffablagerungen → mikroskopisch: mulden- bis lochförmige Vertiefungen → Gegenmaßnahmen: Vermeiden von Ablagerungen aus Fremdstoffen 3.6. Kontaktkorrosion → Kontakt 2er Metalle mit unterschiedlichen Korrosionspotentialen (ΔUR > 100 mV) in einer Elektrolytlösung → örtliche Abtragung des unedleren Metalls → makroskopisch: flächenmäßig begrenzter Abtrag des unedleren Metalls → mikroskopisch: deutlich erkennbare Auflösung des unedleren Metalls, meistens muldenförmig → Gegenmaßnahmen: gleichartige Werkstoffe, nicht leitende Überzüge auf Metallen 3.7. Selektive Korrosion → galvanische Mikroelementbildung durch Inhomogenitäten im Gefüge (Phasen, Seigerungen) → makroskopisch: raue Oberfläche, selektiver Angriff erkennbar → mikroskopisch: selektiver Angriff erkennbar → Deltaferrit in CrNi-Stählen → Mikroseigerungen 3.7.1. Interkristalline Korrosion → Bildung galvanischer Mikroelemente durch Korngrenzenflächen, ausgeschiedene Phasen → Verarmung an den Elementen, die für Korrosionsbeständigkeit wichtig sind (KG-nähe) → Herauslösen korngrenzennaher Zonen 3.7.2. Schichtkorrosion → Bildung galvanischer Mikroelemente durch Herauslösen einschlussnaher Zonen/ Seigerungszeilen → Aufblättern eines Werkstoffes parallel zur Oberfläche 3.7.3. Spongiose (GJL) 3.7.4. Entzinkung bei CuZn-Legierungen (Cu arme Phase löst sich) 3.7.5. Entaluminierung bei CuSnAl-Legierungen

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3.8. Taupunktkorrosion → bei Taupunktunterschreitung in Verbrennungsgasen, Kondensation von Säuren unterschiedlicher Korrosionen → starker, gleichmäßiger Abtrag, Angriff bevorzugt unter Ablagerungen 3.9. Kondenswasserkorrosion → bei Taupunktunterschreitung: Abscheiden von Kondenswasser auf Metalloberfläche → gleichmäßiger bis lochförmiger Abtrag

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