Bruchmuster auf Metallbruchflächen und Lösungsansätze für die metallurgische Schadensanalyse

Metallische Werkstoffe wie Stahl, Kupfer und Aluminiumlegierungen werden in einer Vielzahl von Produkten verwendet, von Haushaltsgeräten und Spielzeug bis hin zu Fahrzeugbau und Infrastrukturprojekten.
Vor allem in jüngster Zeit werden neue Hochleistungswerkstoffe aktiv untersucht, vor allem in der Automobil- und Luftfahrtindustrie. Erforderlich geworden sind diese Untersuchungen durch die Anforderungen, Größe und Gewicht zu reduzieren und gleichzeitig die Materialsteifigkeit zu verbessern, um Energie zu sparen und die Produktions- und Bearbeitungskosten zu senken. In der Automobil-, Luft- und Raumfahrtindustrie besteht bei Bruch von metallischen Werkstoffen Lebensgefahr, so dass eine strenge Materialauswahl und eine sicherheitsgerechte Konstruktion anhand von Festigkeitsberechnungen erforderlich sind.

Bei der Auswahl von metallischen Werkstoffen werden verschiedene Werkstoffprüfungen hinsichtlich ihrer Beanspruchung durchgeführt.
Typische Prüfmethoden sind folgende:

• Mechanische Prüfungen:
  Zugprüfung, Biegeprüfung, Druckprüfung, Scherprüfung, Kriechprüfung, Verschleißprüfung usw.
• Härtetests:
  Eindringhärteprüfung, dynamische Härteprüfung
• Chemische Prüfungen:
  Korrosionsprüfung

Durch diese Werkstoffprüfungen oder die Gefügebetrachtung (Fraktografie) von metallischen Werkstoffoberflächen, die nach dem Gebrauch des ausgelieferten Produktes brechen, lassen sich Bruchursachen und grundlegende Eigenschaften von Werkstoffen für deren Bewertung, Auswahl oder Verbesserung untersuchen.

Ein Verformungsbruch ist ein Bruchmuster, das bei vielen metallischen Werkstoffen beobachtet wird und bis zum Auftreten des Bruchs große Verformungen wie Dehnung und Einschnürung zeigt. Durch die Gefügebetrachtung lassen sich die folgenden Merkmale und detaillierten Bruchmuster erkennen.

Ein Spröder Gewaltbruch ist ein Bruchmuster, bei dem sich die Rissbildung schnell ausgebreitet hat, aber wenig plastische Verformung aufweist. Bei fortschreitender Rissbildung tritt keine plastische Verformung um die Bruchfläche herum auf. Im Allgemeinen kommt es bei vielen Stahlwerkstoffen bei normalem Gebrauch zu dieser Art von Brüchen. In vielen Fällen besteht die Bruchfläche aus Quasi-Spaltbruchflächen, die bei Vergütungsstahl und Baustahl in sehr kalten Umgebungen zu beobachten sind.

Ein Ermüdungsbruch ist ein Bruchmuster, bei dem die Rissbildung unter wiederholter Belastung allmählich fortschreitet. Mehr als 70% der Bruchmuster von mechanischen Strukturen lassen sich diesem Muster zuordnen.
Das Erscheinungsbild des Bruchmaterials zeigt keine Dehnung oder Einschnürung, wie es bei Sprödbrüchen der Fall ist, aber bei mikroskopischer Betrachtung zeigt sich eine deutliche plastische Verformung.
Die Bruchoberfläche ist im Vergleich zu den Oberflächen anderer Bruchmuster in der Regel glatt und als makroskopisches Merkmal sind Strandspuren (muschelartige Muster) zu beobachten. Anhand des Aussehens dieser Strandspuren lässt sich erkennen, wo der Bruch begann und in welche Richtung die Rissbildung verlief. Als mikroskopisches Merkmal wird typischerweise ein streifenförmiges Muster beobachtet, das als Schwingstreifen bezeichnet wird. Dieses Streifenmuster verläuft senkrecht zur Rissausbreitungsrichtung und soll im Gegensatz zu Eisenlegierungen bei Aluminium- und Kupferlegierungen leicht auftreten.

Ein Umgebungsbruch ist ein Bruchmuster, bei dem sich die Rissbildung unter einer korrosiven Umgebung entwickelt. Daher kann dieser Bruch auch schon bei einer sehr geringen äußeren Belastung auftreten.
Typische Umgebungsbrüche sind Wasserstoffversprödung und Spannungsrisskorrosion.

• Wasserstoffversprödung
  Wasserstoffversprödung wird auch als verzögerter Bruch bezeichnet und wird häufig bei Stahlwerkstoffen beobachtet. Dieses Phänomen (Versprödung) wird durch das Eindringen von Wasserstoff in Materialien verursacht. Dieser Eintritt wird typischerweise bei Materialherstellungsprozessen, wie Schweißen und Galvanisieren, und bei Korrosionsreaktionen in der Gebrauchsumgebung beobachtet.
• Spannungsrisskorrosion
  Diese Rissbildung tritt häufig bei Unfällen auf, bei denen austenitischer rostfreier Stahl zum Einsatz kommt. Insbesondere interkristalline Brüche treten häufig in Nutzungsumgebungen mit C1-Ionen auf. Andererseits treten Korngrenzenbrüche auch in anderen Werkstoffen als Edelstahl auf, z. B. in reinem Kupfer, Messing und Aluminiumlegierungen.

Mit dem Digitalmikroskop der Modellreihe VHX
Die Reflexionsminimierung kann unnötige Reflexionen unterdrücken, sodass selbst kleinste Risse auf einer Metallbruchfläche klar erfasst werden können.

Mit dem Digitalmikroskop der Modellreihe VHX
Mit der Tiefenzusammensetzung kann die gesamte Oberfläche eines Metallbruchs fokussiert werden. Diese Funktion reduziert nicht nur den Zeit- und Arbeitsaufwand, der für eine wiederholte Fokuseinstellung benötigt wird, sondern ermöglicht auch die gleichzeitige Betrachtung und Beurteilung der auf einer Bruchfläche vorhandenen Merkmale.

Mit dem Digitalmikroskop der Modellreihe VHX

Mit dem Digitalmikroskop der Modellreihe VHX
Mit dem optischen Schatteneffekt-Modus, einer Mikroskopiemethode, die ein hochauflösendes Objektiv, einen 4K-CMOS-Bildempfänger und Beleuchtungstechnologien kombiniert, wird der Kontrast in einem mit unterschiedlicher Beleuchtung aufgenommenen Bild analysiert.
Damit lassen sich kleinste Unregelmäßigkeiten auf einer Metallbruchfläche deutlich erkennen. Der optische Schatteneffekt-Modus kann zudem genutzt werden, um feinste Oberflächenstrukturen mit Höhenfarben zu visualisieren.