5 gängige Arten von Metallbrüchen und wie man sie verhindert | zerstörungsfreie Prüfung

Das Verständnis der Metallbruchmechanismen ist für Fachleute der zerstörungsfreien Prüfung (ZfP) von entscheidender Bedeutung. Dieser technische Leitfaden behandelt sechs primäre Brucharten mit Präventionsstrategien für industrielle Anwendungen.

Spannungskorrosionsbruch

Eigenschaften

Spannungskorrosionsbruch ist ein Bruch, der unter der kombinierten Einwirkung von Zugspannung und spezifischen korrosiven Medien auftritt. Der Bruchvorgang weist in der Regel keine offensichtlichen Warnzeichen auf und erfolgt plötzlich. Die Bruchfläche weist im Allgemeinen spröde Brucheigenschaften auf, kann aber manchmal von geringfügiger plastischer Verformung begleitet sein.

Entstehungsmechanismus

In korrosiven Medien bildet sich ein Korrosionsproduktschicht auf der Metalloberfläche. Wenn Metall Zugspannung ausgesetzt wird, reißt die Korrosionsproduktschicht auf und legt die frische Metalloberfläche frei. Die frische Metalloberfläche korrodiert schnell und bildet eine neue Korrosionsproduktschicht. Dieser Kreislauf wiederholt sich und führt dazu, dass sich Risse kontinuierlich im Inneren des Metalls ausbreiten, was letztendlich einen Bruch auslöst.

Einflussfaktoren

Spannungszustand, korrosive Medien und Materialempfindlichkeit sind die Hauptfaktoren, die den Spannungskorrosionsbruch beeinflussen. Zugspannung ist eine notwendige Bedingung für die Auslösung von Spannungskorrosionsbruch; verschiedene korrosive Medien haben unterschiedliche Korrosionseffekte auf verschiedene metallische Werkstoffe; bestimmte metallische Werkstoffe weisen eine hohe Empfindlichkeit gegenüber spezifischen korrosiven Medien auf.

Präventivmaßnahmen

Geeignete Werkstoffe auswählen, Werkstoffe wählen, die unempfindlich gegen Spannungskorrosion sind;

die Bauteilspannungsniveaus reduzieren, durch Glühen und andere Verfahren die Eigenspannungen beseitigen; 

die Umgebungsbedingungen verbessern, z. B. die Konzentration der korrosiven Medien reduzieren und die Temperatur kontrollieren;

Oberflächenschutzmaßnahmen wie Beschichtungen und Galvanisierung anwenden.

Vorgeschlagene ZfP-Methode

Flüssigkeitsrisseprüfung, Ultraschall-Rissprüfung

Kriechbruch

Eigenschaften

Kriechbruch ist die langsame plastische Verformung und der Bruch, die im Laufe der Zeit unter hoher Temperatur und konstanter Spannung auftreten. Der Kriechvorgang besteht in der Regel aus drei Phasen: anfängliche Kriechphase, stationäre Kriechphase und beschleunigte Kriechphase. Die Kriechbruchfläche ist im Allgemeinen rau mit deutlicher Oxidationsfarbe.

Entstehungsmechanismus

In Hochtemperaturumgebungen nimmt die atomare Aktivität innerhalb des Metalls zu, und Versetzungen klettern und gleiten leicht. Unter konstanter Spannung bewegen sich Versetzungen kontinuierlich und verursachen eine langsame plastische Verformung des Metalls. Mit der Zeit akkumuliert sich die Verformung, und wenn sie ein bestimmtes Niveau erreicht, löst sie die Rissbildung und -ausbreitung aus, was letztendlich zum Bruch führt.

Einflussfaktoren

Temperatur, Spannung und Zeit sind die Hauptfaktoren, die den Kriechbruch beeinflussen. Höhere Temperaturen erhöhen die Kriechraten des Metalls; größere Spannungen führen zu einer deutlicheren Kriechverformung; längere Zeiten erhöhen die Wahrscheinlichkeit eines Kriechbruchs. Darüber hinaus beeinflussen auch die chemische Zusammensetzung und die Mikrostruktur des Materials die Kriecheigenschaften.

Präventivmaßnahmen

Hochtemperatur- und kriechbeständige Werkstoffe auswählen;

Arbeitstemperatur und Spannungsniveaus vernünftig kontrollieren, wobei langfristige Hochtemperatur- und Hochspannungszustände vermieden werden;

die Mikrostruktur des Materials optimieren, um die Kriechbeständigkeit zu verbessern.

Vorgeschlagene ZfP-Methode

Ermüdungsbruch

Eigenschaften

Ermüdungsbruch ist ein Bruch, der nach einer bestimmten Anzahl von Zyklen unter Wechselspannung auftritt. Der Bruchvorgang besteht in der Regel aus drei Phasen: Rissbildung, Rissausbreitung und endgültiger Bruch. Die Ermüdungsbruchfläche besteht im Allgemeinen aus glatten und rauen Zonen, wobei die glatte Zone der Bereich der langsamen Rissausbreitung und die raue Zone der Bereich des endgültigen schnellen Bruchs ist.

Entstehungsmechanismus

Unter Wechselspannung entstehen in einigen schwachen Bereichen auf der Metalloberfläche, wie z. B. Korngrenzen und Einschlüssen, winzige Risse - Rissbildung. Mit zunehmender Anzahl von Zyklen dehnen sich Risse unter Spannung kontinuierlich aus und bilden makroskopische Risse. Wenn sich Risse bis zu einem gewissen Grad ausbreiten, kann der verbleibende Querschnitt der äußeren Kraft nicht standhalten, was zum endgültigen Bruch führt.

Einflussfaktoren

Spannungsamplitude, Mittelspannung, Zyklenzahlen und die Materialermüdungsgrenze sind die Hauptfaktoren, die den Ermüdungsbruch beeinflussen. Eine höhere Spannungsamplitude und Mittelspannung beschleunigen die Rissausbreitung und verkürzen die Ermüdungslebensdauer; mehr Zyklen erhöhen die Wahrscheinlichkeit eines Ermüdungsbruchs; eine höhere Materialermüdungsgrenze weist auf einen stärkeren Widerstand gegen Ermüdungsbruch hin.

Präventivmaßnahmen

Bauteilkonstruktionen vernünftig gestalten, um die Spannungskonzentration zu reduzieren; Werkstoffe mit hohen Ermüdungsgrenzen auswählen;

Oberflächenverfestigungsbehandlungen wie Kugelstrahlen und Walzen durchführen, um die Oberflächenermüdungsfestigkeit zu verbessern;

die Lastgröße und die Zyklenzahlen kontrollieren, um ein Überschreiten der Materialermüdungsgrenzen zu vermeiden.

Vorgeschlagene ZfP-Methode

Spröder Bruch

Eigenschaften

Spröder Bruch ist eine Bruchart, bei der Metall vor dem Bruch fast keine offensichtliche plastische Verformung erfährt. Der Bruchvorgang erfolgt plötzlich, mit einer flachen und glatten Bruchfläche, die oft kristalline oder Fischgrätenmuster mit metallischem Glanz aufweist.

Entstehungsmechanismus

Spröder Bruch wird hauptsächlich durch das Vorhandensein von Rissen oder Defekten im Inneren des Metalls verursacht. Unter äußerer Kraft tritt eine Spannungskonzentration an den Rissspitzen auf. Wenn die Spannungskonzentration die Bruchzähigkeit des Materials erreicht, breiten sich Risse schnell aus, was zum Metallbruch führt. Diese Bruchart hängt in der Regel mit der Kristallstruktur des Materials, dem Verunreinigungsgehalt und dem Spannungszustand zusammen.

Einflussfaktoren

Die Sprödigkeit des Materials wird von verschiedenen Faktoren beeinflusst. Ein höherer Kohlenstoffgehalt und Verunreinigungsgehalt verringern die Zähigkeit des Metalls und erhöhen die Sprödigkeit; Umgebungen mit niedrigen Temperaturen verändern die Kristallstruktur des Metalls und verringern die Zähigkeit; triaxiale Zugspannungszustände fördern ebenfalls den spröden Bruch.

Präventivmaßnahmen

Die chemische Zusammensetzung des Materials streng kontrollieren und den Verunreinigungsgehalt reduzieren;

geeignete Wärmebehandlung durchführen, um die Mikrostruktur zu verbessern und die Zähigkeit zu erhöhen;

Bauteilkonstruktionen vernünftig gestalten, um triaxiale Zugspannungszustände zu vermeiden;

Vorheizmaßnahmen anwenden, wenn sie in Umgebungen mit niedrigen Temperaturen verwendet werden.

Vorgeschlagene ZfP-Methode

Duktiler Bruch

Eigenschaften

Duktiler Bruch ist eine Bruchart, bei der Metall vor dem Bruch eine deutliche plastische Verformung erfährt. Während des Bruchvorgangs erfährt das Metallmaterial zunächst eine Einschnürung, bei der sich der lokale Querschnitt deutlich verringert, gefolgt von einem Bruch an der Einschnürungsstelle. Die Bruchfläche erscheint in der Regel faserig oder becherförmig, mit einer matten Farbe und ohne offensichtlichen Glanz.

Entstehungsmechanismus

Duktiler Bruch wird hauptsächlich durch die Bewegung und Vermehrung von Versetzungen innerhalb des Metalls verursacht. Wenn Metall äußerer Kraft ausgesetzt wird, gleiten Versetzungen auf Gleitebenen und verursachen eine plastische Verformung der Kristalle. Wenn sich die Verformung fortsetzt, verfangen und akkumulieren sich Versetzungen und bilden Versetzungswände und Subkorngrenzen. Wenn die lokale Spannungskonzentration ein bestimmtes Niveau erreicht, löst sie die Bildung und das Wachstum von Mikroleerräumen aus. Die Vernetzung von Mikroleerräumen führt letztendlich zum Metallbruch.

Einflussfaktoren

Die chemische Zusammensetzung, die Mikrostruktur und die Temperatur der Werkstoffe haben erhebliche Auswirkungen auf den duktilen Bruch. Beispielsweise weist Stahl, der geeignete Legierungselemente enthält, in der Regel eine bessere Zähigkeit auf;

eine feinkörnige Struktur kann die Zähigkeit des Metalls verbessern;

während in Umgebungen mit niedrigen Temperaturen die Zähigkeit des Metalls deutlich abnimmt, wodurch ein duktiler Bruch wahrscheinlicher wird.

Präventivmaßnahmen

Geeignete Werkstoffe auswählen, um eine gute Zähigkeit zu gewährleisten;

die Mikrostruktur des Materials optimieren und die Körner durch Wärmebehandlungsverfahren verfeinern;

die Verwendung von temperaturempfindlichen Metallwerkstoffen in Umgebungen mit niedrigen Temperaturen vermeiden.

Vorgeschlagene ZfP-Methode

Referenz:

Zhou, Hongyu & Li, Jian & Liu, Jie & Yu, Peichen & Liu, Xinyang & Fan, Zhiyang & Hu, Anqing & He, Yinsheng. (2024). Significant reduction in creep life of P91 steam pipe elbow caused by an aberrant microstructure after short-term service. Scientific Reports. 14. 10.1038/s41598-024-55557-w. 

https://nte.mines-albi.fr/SciMat/en/co/SM6uc1-4.html

https://www.nde-ed.org/Physics/Materials/Mechanical/NotchToughness.xhtml

https://eengineerkey.com/creep-and-creep-fracture