In diesem Kurstext stellen wir dir ausführlich die unterschiedlichen Brucharten vor und unterscheiden dabei zwischen
- Vorformungslosen Brüchen
- Verformungsarmen Brüchen
- Verformungsreichen Brüchen
Brucharten – Ursachen
Die Ursache von Brüchen kann in drei Kategorien unterschieden werden. Dabei betrachten wir die Beanspruchungsart, welcher der Werkstoff ausgesetzt wurde.
Ermüdung
Die Materialermüdung ist der langsam fortschreitende Schädigungsprozess an einem Werkstoff. Dieser Prozess entsteht im Maschinenbau aufgrund von wechselnder mechanische Belastung. Andere Gründe für eine Materialermüdung können wechselnde Temperaturen, UV-Strahlung, ionisierte Strahlung oder Korrosion sein.
Materialermüdung bedeute auch, dass selbst bei einer statisch unkritischen Belastung, also im elastischen Bereich unterhalb des Streckgrenzes des Werkstoffes eine Funktionsuntüchtigkeit oder ein Totalausfall der Bauteils auftreten kann. Die Voraussetzung hierfür ist, dass die Belastung häufig genug einwirkt.
Dauerbeanspruchung bei hohen Temperaturen
Hohe Temperatur bewirken eine Änderung der Werkstoffstruktur. Die wärmebedingte Aufweichung des Werkstoffes kann bei einer Dauerhaften Beanspruchung zum Bauteilversagen führen.
Schwingende Beanspruchung
Eine schwingende Beanspruchung führt ebenfalls zur einer Materialermüdung. Dabei erfolgt die Beanspruchung dynamisch. Die notwendige Spannung, welche einen Bauteilbruch verursacht ist deutlich unnerhalb der Zugfestigkeit und der Streckgrenze des Werkstoffes.
Ob der Werkstoff eine ausrechende Schwingfestigkeit besitzt lässt sich mit Hilfe des Wöhlerversuchs ermitteln, bei dem der Versuchskörper zyklisch einer sinusförmigen Beanspruchungen ausgesetzt wird.
Brucharten – Gewaltbruch – Schwingbruch
Jetzt nehmen wir eine Unterscheidung in Gewaltbrüche und Schwingbrüche vor. Dabei stellen wir dir die makroskopischen und mikroskopischen Merkmale von beiden Brucharten vor. Eine ausführlichere Betrachtung der einzelnen Brucharten findest du im späteren Verlauf dieses Themas.
Gewaltbruch
“Der Gewaltbruch ist eine Bruchart, die durch mechanisch bedingte Beanspruchungen auftritt.”
Formen des Gewaltbruchs
Man unterteilt den Gewaltbruch grob in den Gleitbruch (Wabenbruch), den Spaltbruch und den Mischbruch.
Die beiden ersten Formen unterscheidet man dann wieder in
- Transkristalliner Wabenbruch
- Interkristalliner Wabenbruch
sowie
- Transkristalliner Spaltbruch
- Interkristalliner Spaltbruch
Der Mischbruch stellt eine Kombination aus Wabenbruch und Spaltbruch dar und weist beide Bruchformen als Bereiche auf der Bruchfläche auf.
Ursachen des Gewaltbruchs
Der Gewaltbruch kann durch unterschiedliche Beanspruchungen ausgelöst werden. Hier unterscheiden wir
- Zugebeanspruchungen,
- Druckbeanspruchungen,
- Biegebeanspruchungen,
sowie
- Torsionsbeanspruchungen
als Ursachen.
Spröder Gewaltbruch – Steckbrief
Ein spröder Gewaltbruch ist ein energiearmer Bruch. In Versuchen hat sich gezeigt, dass er durch eine geringe spezifische Rissenergie erzeugt wird. Was folglich bedeutet, dass die Risszähigkeit ebenfalls gering ist.
Folgende Faktoren sollten bei der Beurteilung eines spröden Gewaltbruchs mit berücksichtigt werden:
- Art des eingesetzten Werkstoffes (zäh, spröde)
- Zustand des Werkstoffes (Gefügeaufbau, Versetzungsdichte)
- Art und Geschwindigkeit der Beanspruchung des Werkstoffes
- Höhe der Temperatur (niedrig, hoch, Raumtemperatur)
- Art des Spannungszustandes (einachsiger, zweiachsiger oder mehrachsiger Spannungszustand)
Mehrachsige Spannungszustände treten auch im Zusammenhang mit konstruktiven oder herstellungsbedingten Kerben auf.
Spröder Gewaltbruch – Makroskopische Untersuchung
Bei der makroskopischen Untersuchung von Gewaltbrüchen fällt auf, dass
- nur eine geringe oder nicht sichtbare plastische Verformung vorliegt.
- die Bruchfläche eben ist.
- die Bruchfläche senkrecht zur dominanten Normalspannung steht.
- die Bruchfläche stark reflektiert (kristallin)
- die Bruchfläche körnig und nicht glatt ist.
- die Bruchfläche gelegentlich eine faserige Struktur besitzt.
- sich Scherlippen am Rissende bilden.
“Scherlippen entstehen aufgrund von Änderungen des Spannungszustandes.”
Spröder Gewaltbruch – Mikroskopische Untersuchung
Bei der mikroskopischen Untersuchung unterscheiden wir Risse, die transkristallin und interkristallin verlaufen und zum Bruch führen.
Mikroskopisch – Transkristallin
Diese Rissverläufe treten bei folgenden Werkstoffmerkmalen auf:
- Spaltflächen
- Stufen
- Fließlinien
- Schraubenversetzungen
- Zungen
- Rosetten
- Zusammenschluss vieler kleiner Anrisse
Mikroskopisch Interkristallin
Hier treten die Rissverläufe aufgrund von nachfolgenden Werkstoffmerkmalen auf:
- Verunreinigungen auf den Korngrenzen
- Korngrenzenflächen
Zäher Gewaltbruch – Steckbrief
Ein zäher Gewaltbruch ist ein energiereicher Bruch. In Versuchen hat sich gezeigt, dass er durch eine hohe spezifische Rissenergie erzeugt wird. Was folglich bedeutet, dass die Risszähigkeit ebenfalls hoch ist. Das Risswachstum verläuft im Vergleich zum spröden Gewaltbruch langsam.
Folgende Faktoren sollten auch bei der Beurteilung eines zähen Gewaltbruchs mit berücksichtigt werden:
- Art des eingesetzten Werkstoffes (zäh, spröde)
- Zustand des Werkstoffes (Gefügeaufbau, Versetzungsdichte)
- Art und Geschwindigkeit der Beanspruchung des Werkstoffes
- Höhe der Temperatur (niedrig, hoch, Raumtemperatur)
- Art des Spannungszustandes (einachsiger, zweiachsiger oder mehrachsiger Spannungszustand)
Mehrachsige Spannungszustände treten auch im Zusammenhang mit konstruktiven oder herstellungsbedingten Kerben auf.
Zäher Gewaltbruch – Makroskopische Untersuchung
Bei der makroskopischen Untersuchung von zähen Gewaltbrüchen fällt auf, dass
- nur eine hohe und sichtbare plastische Verformung vorliegt.
- die Bruchfläche uneben ist.
- dem Bruch durch eine starke Einschnürung vorausgegangen ist .
- die Bruchfläche ist matt.
- die Bruchfläche hat ein seidiges Aussehen.
- sich Scherlippen am Rissende bilden.
“Scherlippen entstehen aufgrund von Änderungen des Spannungszustandes.”
Zäher Gewaltbruch – Mikroskopische Untersuchung
Bei der makroskopischen Untersuchung von zähen Gewaltbrüchen fällt auf, dass
- der typische Wabenbruch vorliegt.
- sich Poren um Einschlüsse gebildet haben.
- Waben vorliegen, als Poren, die während der Beanspruchung zusammengewachsen sind.
- eher duktile Werkstoffe nur wenige große und tiefe Waben ausbilden
- eher sprödere Werkstoffe viele kleiner und flache Waben ausbilden.
Schwingbruch
“Der Schwingbruch ist eine Bruchart, die durch schwingende mechanisch bedingte Beanspruchungen auftritt.”
Ursachen des Schwingbruchs
Der Schwingbruch kann durch unterschiedliche Beanspruchungen ausgelöst werden. Hier unterscheiden wir
- Zugebeanspruchungen,
- Druckbeanspruchungen,
- Biegebeanspruchungen (einseitig, doppelseitig, Umlaufbiegung)
sowie
- Torsionsbeanspruchungen
als Ursachen.
Die Höhe der Belastung bestimmt das Verhältnis von Restbruchfläche zur Schwingbruchfläche.
Schwingbruch – Makroskopische Untersuchung
Bei der makroskopischen Untersuchung von Schwingbrüchen fällt auf, dass
- es sich um einen verformungslosen Bruch handelt.
- die Bruchfläche matt und samtartig aussieht.
- die Bruchfläche glatt ist.
- viele Rastlinien vorliegen.
- die Rastlinien verlaufen konzentrisch um den Ort der Rissbildung herum.
- die Rissbildung beginnt an der Oberfläche des Werkstoffes.
- die Fasern verlaufen in Rissausbreitungsrichtung.
“Rastlinien entstehen durch plötzliche Änderungen der Belastungsbedingungen.”
Schwingbruch – Mikroskopische Untersuchung
Bei der mikroskopischen Untersuchung von Schwingbrüchen fällt auf, dass
- sich Gleitbänder an der Oberfläche befinden.
- sich Schwingstreifen auf der Bruchfläche befinden.
Brucharten – Versuchsbendigungen
Am Ende eines jeden Zugversuchs oder Kerbschlagbiegeversuchs steht der Bruch der Probe.
Das Bruchaussehen hängt immer von der Art des Werkstoffes ab. Hierbei unterscheidet man die Betrachtung des Bruches unter
makroskopischen und mikroskopischen Gesichtspunkten.
Bei der makroskopischen Betrachtung betrachtet man das Aussehen des Stabes um die Bruchstelle
herum. So lassen sich die Brüche grob in 3 Kategorien einteilen:
• Verformungslose Brüche
• Verformungsarme Brüche
• Verformungsreiche Brüche
Brucharten – Übersicht
In der nächsten Abbildung findest du eine Übersicht zu den einzelnen Brucharten:
SKIZZE
Brucharten – Sprödbruch (Verformungsloser Bruch)
Innerhalb der Bruchmechanik stellt der Sprödbruch als verformungsloser Bruch ein plötzlich auftretendes Versagen eines Werkstoffes dar. Den Anfang nimmt der Bruch an mikroskopischen Fehlern im Gefüge (Mikroporen, Mikrorisse) an welchen sich infolge einer Belastung mechanische Spannungen konzentrieren.
Der Sprödbruch oder auch Trennbruch tritt vorrangig bei harten und spröden metallischen, keramischen oder auch polymeren Werkstoffen auf.
Diese Werkstoffe können sich nicht plastisch verformen und brechen sobald eine Normalspannung auftritt, welche die Trennfestigkeit des Werkstoffes überschreitet. Sie haben eine geringe Duktilität und Zähigkeit. Besonders Glas, Porzellan oder Grauguss kennzeichnen sich durch diese Eigenschaften.
Da die meisten Metalle duktil (mit Verformung) brechen, ist die Anzahl der Metalle mit Sprödbruchverhalten gering. Diese Verhalten nimmt jedoch mit sinkender Temperatur zu, da diese die Sprödigkeit von Metallen erhöht. Denn bei tiefen Temperaturen reduziert sich die Kerbschlagzähigkeit eines Werkstoffes rasant. Darüberhinaus verursachen auch mehrachsige Beanspruchung die Entstehung von Sprödbrüchen.
Metalle, die zum Sprödbruch neigen sind Roheisen oder Chrom. Auch Metall mit einer kubisch-raumzentrierten sowie hexagonalen Kristallstruktur brechen spröde.
Im Spannungs-Dehnungs-Diagramm sieht man bei diesen Werkstoffen einen besonders steilen Anstieg der Hookeschen Geraden. Am Ende der Geraden erfolgt der Bruch ohne vorherige plastische Verformung.
Die Bruchfläche steht dabei genau senkrecht zur Stabachse.
SKIZZE
Schaut man sich das Gefüge eines Werkstoffes an, der spröde bricht, so zeigt sich, dass die Bruchlinie interkristallin oder transkristallin verläuft. Interkristallin bedeutet, dass der Riss entlang der Gefügekörner verläuft und transkristallin bedeutet, dass der Riss durch die Gefügekörner verläuft.
Ein Restgewaltbruch an einem Maschinenbauteil, welches einer dynamischen Last ausgesetzt wird, kann sowohl als Sprödbruch als auch Verformungsbruch auftreten.
Brucharten – Mischbruch (Verformungsarmer Bruch)
Ein Mischbruch hat sowohl Merkmale eines Gleit- als auch Spaltbruch. Hier liegen beide Bruchformen nebeneinander vor. Man kann sie mit bloßem Auge durch ihre unterschiedlichen Bruchflächen unterscheiden.
Ist die Fläche matt, so weist dies auf einen Gleitbruch hin. Glänzt die Bruchfläche hingegen kristallin so handelt es sich um eine Spaltbruchfläche.
Im Normalfall finden sich Mischbrüche nur bei Stählen wieder, die eine kubisch-raumzentrierte Gitterstruktur besitzen und zudem eine geringe Festigkeit aufweisen.
Sonderfall Ferritische Stähle
Ferritische Stähle besitzen einen temperaturabhängigen Übergang zwischen Spaltbruch und Gleichbruch. Daher ist es hier von besonderen Interesse durch Werkstoffprüfungen wie dem Kerbschlagbiegeversuch zu ermitteln, wo der Temperaturbereich liegt in dem ein Übergang vom Gleitbruch hin zum Spaltbruch erfolgt.
Man nennt diesen Übergangsbereich einen Steilabfall.
Je nachdem welcher Stahl im Kerbschlagbiegeversuch untersucht wird, zeigt sich im Anschluss daran wie viel Kerbschlagarbeit dieser verrichten kann.
Der verformungsarme Bruch kennzeichnet sich dadurch, dass er sich der Werkstoff im ersten Schritt leicht einschnürt, bevor er anschließend senkrecht zur Stabachse bricht. Dabei tritt zwischen dem Beginn der Einschnürung und der Bruchkante in den meisten Fällen ein Winkel von annähernd 45° auf.
Begründet ist diese Verhalten darin, dass mit der Einschnürung eine Umlenkung der Spannung stattfindet, welche dann einen mehrachsigen Spannungszustand erzeugt, der dann zu einem Spaltbruch führt.
SKIZZE
Brucharten – Zähbruch (Verformungsreicher Bruch)
Der verformungsreiche Bruch auch Zähbruch oder duktiler Bruch, wird aufgrund eines Aussehens unter dem Mikroskops auch als Wabenbruch bezeichnet.
Erst nach einer starken plastischen Verformung des Werkstoffes tritt hier der Bruch ein. Diese starke und gleichzeitig charakteristische Verformung im Bereich der Bruchzone nennt man Einschnürung.
Ausgenommen ist hier der Restgewaltbruch, da bei dieser Bruchart nur ein sehr kleiner Bereich im Verhältnis zur Gesamtbruchfläche einer rapiden und stark plastischen Verformung ausgesetzt wird.
Liegt eine Raumtemperatur vor und ist keine Schwächung der Korngrenzen im Gefüge gegeben, so verläuft der Bruch ausschließlich durch die Gefügekörner hindurch (transkristallin)
Ein duktiler Gewaltbruch wird entsteht aufgrund hoher Temperaturen, sowie einachsigen Spannungszuständen. Auch weiche Werkstoffe wie Kupfer, Gusseisen oder Blei neigen zu duktilen Gewaltbrüchen.
Bei duktilen Werkstoffen, die zum Beispiel im Zugversuch bis zum Bruch durch eine Zugkraft belastet werden, zeigen sich im mikroskopischen Bereich Zugwaben, sowie Abtrennungen einzelner Phasen und Karbideinschlüsse.
Die Zugwaben entstehen durch lokale Einschnürungen zwischen Ausscheidungen und Einschlüssen. Auch an Poren und Mikrolunkern kann man Zugwaben nachweisen.
Diese lokalen Abtrennungen der Partikel vom übrigen Werkstoff dehnen sich kontinuierlich in sich der von außen einwirkenden Spannungen aus. Die entstehenden Hohlräume sehen dabei wie Ellipsen aus und vermehren sich um Verlauf des Versuches.
Ist eine kritische Anzahl von Hohlräumen erreicht, so scheren die noch Vorhandenen Stege zwischen den Hohlräumen ab und es kommt zum Bruch. Die entstandene Wabenstruktur kann man anschließend mit dem Mikroskop sichtbar machen.
In der nächsten Abbildung siehst du die typische Form eines Zähbruchs während eines Zugversuchs.
SKIZZE
Brucharten – Schwingbruch
Ein Schwingbruch ist ein Bruch der infolge einer Lastwechselbeanspruchung entsteht.
In der Fachliteratur findest du alternative Bezeichnungen wie Schwingungsbruch, Dauerbruch oder Ermüdungsbruch. Alle Bezeichnungen meinen aber die gleiche Brucherscheinung.
Im Maschinenbau sind die meisten Brüche nicht auf Gewaltbrüche sondern Schwingbrüche zurückzuführen.
Wie die Ermüdung eines Bauteils mit finalen Bruch aussieht, hängt sowohl von der Belastungsdauer als auch der Belastungsintensität ab. Hinzukommt dann noch die wechselnde Belastung.
Je höher die Frequenz der Wechselbelastung und je größer die dabei auftretende Schwingungsamplitude umso schneller tritt die Ermüdung inklusive Schwingungsbruch auf.
Rechnerisch kann die Höhe der Belastung aus dem Verhältnis der Schwingbruchfläche im Vergleich zur Restgewaltbruchfläche abgeleitet werden.
Ist die Restgewaltbruchfläche stark ausgeprägt, so ist davon auszugehen, dass auch die einwirkende Nennspannung auf den Werkstoff hoch war.
Anders als bei einem Gewaltbruch wirken beim Schwingungsbruch die Spannungen auf den Werkstoff durch die schwellende oder schwingende Belastung schon im elastischen Bereich, also unterhalb der Streckgrenze.
Denn eine Wechselbeanspruchung mit ausreichender Anzahl von Lastwechseln führt zu einer Veränderung innerhalb der Mikrostruktur eines Werkstoffes. Diese Veränderung ist ein Indikator für die Ermüdung des Werkstoffs.
Unter dem Mikroskop lassen sich Rastlinien auf der Bruchfläche nachweisen, die eindeutig auf den Ermüdungsbruch hinweisen. In den meisten Fällen genügt es die Rastlinien nachzuweisen und den Verlauf des Bruchs zu ermitteln um einen Schwingbruch nachzuweisen.
Hinzukommen dann noch Schwingstreifen, die als sehr feine Furchen zu erkennen sind. Schwingstreifen sind ein sicheres Zeichen dafür, dass dem Bruch eine zyklische Beanspruchung vorangegangen ist.
Misst man den Abstand zwischen zwei Schwingstreifen, so lässt sich dadurch theoretisch der Lastwechselzyklus bestimmen.
Schwingbruch – Brucherscheinungen
Nachfolgend findest du eine Übersicht der möglichen Brucharten, die infolge einer Ermüdung auftreten können.
SKIZZE
Es zeigt sich, dass trotz gleicher Beanspruchungen unterschiedliche Bruchmuster entstehen können.
- Schwingungsstreifen sind oft ein Abbild des Schädigungsprozesses
- Bruchbahnen sind Stufen zwischen parallelen Rissbereichen und verlaufen in die Ausbreitungsrichtung des Risses
- Sekundärrisse bilden sich an der aktuellen Rissfront und verlaufen senkrecht in die Bruchfläche hinein.
Nachdem du nun die unterschiedlichen Brucharten kennst, erklären wir dir im kommenden Kurstext die Härteprüfung inklusive der wichtigen Verfahren.
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