Fraktographie

Was ist Fraktographie?

Unter Fraktographie versteht man die Untersuchung der Bruchoberfläche eines gebrochenen Teils, um festzustellen, wie das Versagen begann und fortschritt. Die Bruchoberfläche trägt ihre eigene Aufzeichnung des Versagens: Der Ursprungspunkt, die Ausbreitungsrichtung und der Mechanismus werden aus der Morphologie der Oberfläche abgelesen.

Zweck von Fraktographie

Der Zweck besteht darin, die Ursache eines Fehlers zu finden und dessen Wiederholung zu verhindern. Die Unterscheidung, ob es sich um Ermüdung, Sprödbruch, Überlastung oder Spannungsrisskorrosion handelt, ändert völlig die zu ergreifenden Abhilfemaßnahmen.

Bei welchen Produkten wird Fraktographie angewendet?

Gebrochene Maschinenelemente und Wellen
Kaputte Befestigungselemente
Beschädigte Schweißnähte
Teile für Druckgeräte
Luft- und Raumfahrt- und Automobilkomponenten

In welchen Branchen wird Fraktographie eingesetzt?

MetallAutomobilLuft- und RaumfahrtEnergieMaschinenbau

Normen zu Fraktographie

ASTM E2332 (Leitfaden zur Fehleranalyse von Metallteilen)
ASTM E1351 (Feldmetallographie — Replikatmethode)
ISO 17639 (makroskopische und mikroskopische Untersuchung von Schweißnähten)
ASM-Handbuch Bd. 11 Ansatz (Fehleranalysemethodik)

Prüfbedingungen für Fraktographie

Oberflächenschutz: Die Bruchfläche muss vor Reinigung, Kratzern und Korrosion geschützt werden.
Prüfung: Zuerst mit bloßem Auge und Stereomikroskop, dann REM
Ergänzen: Kombiniert mit chemischer Analyse, Härtemessung und Metallographie
Aufzeichnen: Jede Etappe wird mit Fotos dokumentiert

Prüfgerät für Fraktographie

Stereomikroskop
Rasterelektronenmikroskop (REM) und EDS
Ausrüstung zur metallografischen Vorbereitung
Mikrohärteprüfer
Bildgebungs- und Skalierungssystem

Probenanforderungen für Fraktographie

Die Probe muss so entnommen werden, dass sie die Charge bzw. den Produktionslauf repräsentiert.
Die Probenbeschreibung, die Materialart und ggf. die Produktionsrichtung müssen angegeben werden.
Der anzuwendende Standard und etwaige Kundenspezifikationen müssen zusammen mit dem Muster angegeben werden.
Der Test kann destruktiv sein; Die erforderliche Probenanzahl muss vorab bestätigt werden.
Zu prüfende Oberflächen müssen während des Transports geschützt werden.

Dauer von Fraktographie

Eine Fehleranalysestudie samt Untersuchung und ergänzenden Analysen dauert in der Regel einige Arbeitstage bis Wochen; Der Umfang hängt von der Komplexität der Veranstaltung ab.

Ablauf von Fraktographie

1Das Teil und die Bruchfläche werden unbeschädigt ins Labor gebracht.
2Der Fehlerverlauf und die Betriebsbedingungen werden erfasst.
3Eine Makrountersuchung wird mit bloßem Auge und Stereomikroskop durchgeführt.
4Der Bruchursprungsbereich wird identifiziert.
5Die Mikromorphologie wird mit REM untersucht.
6Unterstützt durch chemische Analyse, Härte und Metallographie.
7Der Fehlermechanismus und die wahrscheinliche Grundursache werden gemeldet.

Annahmekriterien für Fraktographie

Der Methodenstandard definiert, wie der Test durchgeführt wird, nicht wie das Ergebnis aussehen muss. Die Akzeptanzgrenze ergibt sich aus der Material- oder Produktnorm, der Kundenspezifikation oder der einschlägigen Vorschrift; Auf dieser Seite wird daher keine Zahlenbegrenzung angegeben.

Auswertung der Ergebnisse

Die Bewertung basiert auf der Zuordnung der beobachteten Morphologie zu bekannten Versagensmechanismen: Streifenbildung und ein flacher Ursprungsbereich bei Ermüdung, Spaltflächen bei Sprödbruch, Grübchen bei duktilem Bruch. Die Schlussfolgerung über die Ursache wird durch die Interpretation der Ergebnisse zusammen mit den Betriebsbedingungen gezogen.

Prüfbericht zu Fraktographie

Probenbeschreibung, Material-/Produktinformationen und ggf. Chargennummer
Probenvorbereitungsmethode und Konditionierungsbedingungen
Es gelten Standard- und Testbedingungen
Verwendetes Instrument und Kalibrierungsstatus
Messergebnisse und Einheiten
Messunsicherheit (falls gewünscht)
Eine Aussage, dass das Ergebnis nur für die zum Test eingereichte Probe gilt

Akkreditierung

EUROLAB verfügt über eine international anerkannte Akkreditierung, die von Akkreditierungsstellen erhalten wurde, die Vertragspartei der multilateralen Anerkennungsvereinbarungen IAF und ILAC sind, gemäß ISO/IEC 17025 für Labortests, ISO/IEC 17020 für Inspektion und Überwachung sowie ISO/IEC 17021-1 und ISO/IEC 17065 für System- und Produktzertifizierung. Diese Kette stellt sicher, dass die ausgestellten Berichte und Zertifikate weltweit akzeptiert werden.

Ob dieser Test im akkreditierten Rahmen angeboten werden kann, hängt von Ihrem Produkt und der angewandten Norm ab; Da die Akkreditierung methodenbasiert erfolgt, wird der Umfang bereits im Angebotsstadium schriftlich bestätigt.

Geltungsbereich und Berechtigungen

Metall- und Metallurgieprüfung — Was umfasst dieser Prüfbereich?

Der folgende Abschnitt beschreibt das Gebiet, zu dem der Test Fraktographie gehört; die Bedingungen und Abnahmekriterien dieses konkreten Tests stehen in den obigen Abschnitten. Der für Ihr Produkt spezifische Umfang wird schriftlich im Angebotsstadium festgelegt.

Metall- und metallurgische Prüfungen ermitteln, welche Last ein Metall oder eine Schweißverbindung tragen kann, wie es versagt und wie seine innere Struktur aussieht. Das Ergebnis dieser Familie betrifft oft nicht das Produkt selbst, sondern die Identität des WERKSTOFFS: Entspricht der Stahl wirklich der angegebenen Güte, liefert die Schweißnaht die vom Design angenommene Festigkeit, enthält der Guss einen unzulässigen inneren Fehler?

Die praktische Bedeutung des Bereichs ergibt sich daraus, dass ein Metallteil selten allmählich versagt. Ein Kunststoffteil verformt sich, altert, reißt und gibt meist eine Vorwarnung. Eine Schweißnaht oder ein Verbindungselement hingegen bricht oft ohne Vorwarnung — besonders bei Ermüdung und Sprödbruch. Deshalb ist Materialprüfung in Bereichen wie Druckgeräten, Hebezeugen, Baustahl und Rohrleitungen eine Anforderung der VORSCHRIFT und nicht des Designs.

Die Familie vereint drei Methodengruppen, von denen jede eine andere Frage beantwortet. Mechanische Prüfungen quantifizieren das Verhalten des Werkstoffs unter Last. Zerstörungsfreie Prüfung sucht nach Fehlern, ohne das Teil zu beschädigen. Metallografie und chemische Analyse erklären, warum sich der Werkstoff so verhält — über Korngefüge, Phasenverteilung, Einschlussgehalt und Legierungszusammensetzung.

Das Abnahmekriterium dieser Prüfungen stammt fast nie aus der Prüfnorm, und das ist der Schlüssel zum Verständnis des Bereichs. Die Prüfnorm sagt, wie die Messung durchzuführen ist; die zulässigen Werte stammen aus der Produktnorm, der Werkstoffgüte oder dem Fertigungskodex. ISO 6892-1 sagt, wie man einen Zugversuch durchführt; EN 10025 sagt, welche Streckgrenze dieser Stahl liefern muss. Beim Lesen eines Berichts ist entscheidend, gegen welche Produktnorm bewertet wurde.

Die Probenahme ist in diesem Bereich untrennbar mit dem Ergebnis verbunden. Zwei Proben aus derselben Schmelze können je nach Entnahmerichtung und -ort unterschiedliche Werte liefern; bei Walzprodukten liefern Proben parallel und quer zur Walzrichtung unterschiedliche Ergebnisse. Produktnormen regeln daher auch Entnahmeort und -richtung, und der Bericht muss dies dokumentieren.

Methodengruppen in diesem Bereich

Mechanische Tests
Zug-, Druck-, Biege-, Kerbschlag- (Charpy), Härte- (Brinell, Vickers, Rockwell), Ermüdungs-, Kriech- und Bruchzähigkeitsprüfung. Diese liefern das Verhalten des Werkstoffs unter Last in Zahlenform.
Zerstörungsfreie Prüfung
Durchstrahlungsprüfung, Ultraschallprüfung, Eindringprüfung, Magnetpulverprüfung und Sichtprüfung. Sie sucht Oberflächen- und innere Fehler, ohne das Teil zu beschädigen, und ist ein unverzichtbarer Schritt bei geschweißten Konstruktionen.
Metallografie
Probenvorbereitung, Ätzung und mikroskopische Untersuchung. Beurteilt werden Korngröße, Phasenverteilung, Einschlussgehalt, Einsatzhärtetiefe und die Wärmeeinflusszone der Schweißung.
Chemische Analyse
Die Legierungszusammensetzung wird mittels optischer Emissionsspektrometrie und Nasschemie verifiziert; die Bestätigung der Werkstoffgüte läuft über diesen Schritt.
Korrosionsverhalten
Salzsprühnebel-, Lochfraß- und Spaltkorrosions- sowie interkristalline Korrosionsprüfungen. Bei nichtrostenden Stählen können diese die Qualität der Wärmebehandlung anzeigen.

Häufig verwechselt in diesem Bereich

Ein Werkstoffzertifikat (wie EN 10204 3.1) ist kein Prüfbericht; es ist die Erklärung des Herstellers. Bei kritischen Anwendungen wird eine unabhängige Verifizierung durchgeführt, und beides darf nicht verwechselt werden.
ASTM- und ISO-Zugversuche messen dieselben Größen, verwenden aber unterschiedliche Probengeometrien; die Ergebnisse gelten nicht als direkt äquivalent, angewendet wird, was die Spezifikation verlangt.
Umrechnungstabellen zwischen Härte und Festigkeit sind NÄHERUNGSWEISE. Die Berechnung der Streckgrenze aus der Härte ist kein ausreichender Nachweis für die Werkstoffabnahme.
Bei der zerstörungsfreien Prüfung bedeutet "kein Fehler gefunden" nicht, dass kein Fehler vorhanden ist; Fehler unterhalb der Nachweisgrenze der Methode können vorhanden sein. Der Bericht muss die angewandte Methode und die Empfindlichkeitsstufe angeben.
Das Bestehen einer Schweißnaht zeigt nicht, dass der Schweißer oder das Verfahren qualifiziert ist; das sind getrennte Prozesse.

Welche Entscheidungen diese Ergebnisse unterstützen

Prüfung des Werkstoffzertifikats und Wareneingangsprüfung
Freigabe der Schweißkonstruktion; Schweißer- und Verfahrensqualifikation
Fertigungskontrolle von Druckgeräten und Baukomponenten
Schadensanalyse und Ermittlung der Grundursache von Feldschäden
Verifizierung von Wärmebehandlungs- und Oberflächenbehandlungsprozessen

Häufige Fragen zu Fraktographie

Kann die Bruchfläche gereinigt werden?

Mit Sorgfalt. Durch hartes Bürsten, Schleifen oder Reinigen mit Säure werden die Beweise zerstört. Wenn eine Reinigung erforderlich ist, muss die Methode von einem Spezialisten für Fehleranalyse ausgewählt werden.

Reicht die Fraktographie allein aus?

Im Allgemeinen nicht. Der Mechanismus lässt sich an der Oberfläche ablesen, die eigentliche Ursache erfordert jedoch eine gemeinsame Beurteilung der Materialzusammensetzung, Härte, Mikrostruktur und Betriebsbedingungen.