Analyseansatz für defekte Metallteile

I. Vorläufige Informationssammlung: Klärung des Ausfallhintergrunds (Vermeidung von Blindanalysen)

1. Grundlegende Teileinformationen
   • Teilename, Anwendung (z. B. Welle, Zahnrad, Druckbehälter), Konstruktionszeichnung (Konzentration auf Bereiche mit Spannungskonzentration wie Rundungen und Löcher);
   • Materialgüte (z. B. 45er Stahl, 304er Edelstahl, TC4 Titanlegierung) und ursprüngliche Leistungsparameter (Härte, Zugfestigkeit, Korrosionsbeständigkeit usw.).
2. Herstellungs- und Verarbeitungsprozesse
   • Umformverfahren (Gießen, Schmieden, Schweißen, 3D-Druck), Wärmebehandlungsverfahren (Abschrecken und Anlassen, Lösungsglühen), Oberflächenbehandlung (Verchromen, Aufkohlen);
   • Ob es während der Verarbeitung Defekte gab (z. B. Schweißporen, Schmiedesprünge, Verformung durch Wärmebehandlung).
3. Betriebs- und Einsatzbedingungen
   • Arbeitslast (statische/dynamische/Stoßlast, Lastgröße und -richtung);
   • Umgebungsparameter (Temperatur: Raum-/Hoch-/Tieftemperatur; Medium: Luft, Wasser, Öl, Säure-Base-Lösung, Staub; Vorhandensein von Vibrationen oder Ermüdungszyklen);
   • Betriebszustand vor dem Ausfall (z. B. ob ungewöhnliche Geräusche, Leckagen oder Präzisionsminderungen auftraten; ob der Ausfall plötzlich oder allmählich erfolgte).
4. Historische Wartungsaufzeichnungen
   • Ob das Teil repariert oder ersetzt wurde; ob zuvor ähnliche Ausfälle auftraten; ob während der Wartung unsachgemäße Bedienung vorlag (z. B. Überlastung, unzureichende Schmierung).

II. Makroskopische Analyse: Zunächst die Ausfallart bestimmen (den Umfang schnell eingrenzen)

1. Lokalisierung der Ausfallstelle
   • Ob der Ausfall in einem "spannungsanfälligen Bereich" (z. B. Wellenabsatz, Keilnut, Gewindegrund), einem "verfahrensschwachen Bereich" (z. B. Schweißverbindung, Gusssteigrohr) oder einem "Materialdefektbereich" (z. B. Einschlüsse, Porosität) auftrat;
   • Beispiel: Wenn eine Welle am Wellenabsatz bricht, hängt dies wahrscheinlich mit der Spannungskonzentration zusammen; wenn eine Rohrleitung an der Schweißnaht undicht ist, sollte der Schweißqualität Priorität eingeräumt werden.
2. Beobachtung der Erscheinungsmerkmale
   • Bruchversagen: Beobachten Sie die Bruchfarbe (Vorhandensein von Oxidfarbe, um festzustellen, ob der Bruch bei hoher Temperatur aufgetreten ist), die Ebenheit (flach = Sprödbruch, rau = duktiler Bruch) und das Vorhandensein von radialen Linien (ein typisches Merkmal des Ermüdungsbruchs, wobei der Ausgangspunkt der radialen Linien die Rissquelle ist);
   • Korrosionsversagen: Identifizieren Sie die Korrosionsart (Lochfraß: lokale kleine Löcher; gleichmäßige Korrosion: allgemeine Ausdünnung; interkristalline Korrosion: Rissbildung entlang der Korngrenzen; Spannungsrisskorrosion: begleitet von Rissen und Korrosionsspuren);
   • Verschleißversagen: Beobachten Sie, ob die verschlissene Oberfläche Abriebkratzer (Abrasivverschleiß), Haftspuren (Adhäsionsverschleiß, z. B. "Festfressen" von Metalloberflächen) oder Ermüdungsabplatzungen (Kontaktermüdung, z. B. Abplatzungen von Zahnradoberflächen) aufweist;
   • Verformungsversagen: Messen Sie die Schlüsselabmessungen des Teils (z. B. Wellendurchmesser, Plattenebenheit), um festzustellen, ob sie die Toleranzen überschreiten (z. B. "thermische Verformung" bei hohen Temperaturen, "plastische Verformung" unter Überlastung).
3. Überprüfung der makroskopischen mechanischen Eigenschaften
   • Entnehmen Sie dem "nicht defekten Bereich" des defekten Teils eine Probe, um Härte, Zugfestigkeit, Streckgrenze usw. zu testen, und vergleichen Sie diese mit den Konstruktionsanforderungen, um festzustellen, ob der Ausfall durch mangelhafte Materialeigenschaften verursacht wurde (z. B. unzureichende Härte nach der Wärmebehandlung).

III. Mikroskopische Analyse: Tiefgreifende Lokalisierung des Wesens des Ausfalls (Kernverbindung)

Beispiel: Mikroskopische Beurteilung des Bruchversagens

• Wenn das REM eine große Anzahl von "Dimples" (grubenartige Merkmale) auf dem Bruch beobachtet, deutet dies auf duktilen Bruch hin, der durch Überlastung (Last über der Streckgrenze des Materials) verursacht werden kann;
• Wenn der Bruch "Spaltflächen" (flache kleine Kristallebenen) oder "interkristallinen Bruch" (Risse, die sich entlang der Korngrenzen ausbreiten) aufweist, deutet dies auf Sprödbruch hin, der durch niedrige Temperaturen, Materialeinschlüsse oder interkristalline Korrosion verursacht werden kann;
• Wenn der Bruch "Ermüdungsstreifen" (parallele Streifen) aufweist, deutet dies auf Ermüdungsbruch hin, der durch wiederholte Wechselbelastungen (z. B. Rotationsschwingungen einer Welle) oder Oberflächenrissquellen (z. B. Bearbeitungskratzer) verursacht werden kann.

IV. Bestimmung des Ausfallmechanismus: Verknüpfung von Phänomen und Wesen

1. Mechanische Ausfallmechanismen
   • Überlastungsbruch: Last überschreitet die Bruchfestigkeit des Materials, mit Dimples auf dem Bruch;
   • Ermüdungsbruch: Wiederholte Wechselbelastungen, mit Ermüdungsstreifen + Rissquellen auf dem Bruch;
   • Plastische Verformung: Last überschreitet die Streckgrenze des Materials oder Materialerweichung bei hohen Temperaturen;
   • Verschleiß: Materialverlust durch Oberflächenreibung (Abrasivverschleiß, Adhäsionsverschleiß, Kontaktermüdungsverschleiß).
2. Chemische Ausfallmechanismen
   • Korrosion: Chemische Reaktion zwischen Metall und Umweltmedium (z. B. Rostbildung von Kohlenstoffstahl in feuchter Umgebung, Lochfraß von Edelstahl in Cl⁻-Umgebungen);
   • Oxidation: Reaktion zwischen Metall und Sauerstoff bei hohen Temperaturen (z. B. Stahl bildet über 800℃ eine Oxidschicht, was zu einer verringerten Maßgenauigkeit führt).
3. Thermische Ausfallmechanismen
   • Thermische Erweichung: Hohe Temperaturen führen zu einer Abnahme der Festigkeit/Härte des Materials, was zu Verformung oder Bruch führt;
   • Thermische Ermüdung: Wiederholte Heiz-Kühl-Zyklen verursachen thermische Spannungszyklen und Rissbildung (z. B. Kesselrohre, Motorblöcke).

V. Ursachenforschung: Untersuchung der verantwortlichen Verbindungen im gesamten Lebenszyklus

1. Konstruktionsverbindung
   • Defekte: Spannungskonstruktion (z. B. zu kleiner Rundungsradius), unzureichender Sicherheitsfaktor (Lastberechnungsfehler), falsche Materialauswahl (z. B. Verwendung von gewöhnlichem Kohlenstoffstahl anstelle von Edelstahl in korrosiven Umgebungen);
   • Beispiel: Eine chemische Rohrleitung aus Q235-Stahl (nicht säurebeständig) zum Transport von Salzsäure führte zu Korrosionsleckagen, wobei die Ursache "falsche Materialauswahl" war.
2. Materialverbindung
   • Defekte: Mangelhafte Materialzusammensetzung (z. B. unzureichender Gehalt an Legierungselementen), innere Einschlüsse (z. B. Sulfideinschlüsse in Stahl), metallurgische Defekte (z. B. Gießporosität, Schmiedesprünge);
   • Beispiel: Ein Zahnrad aus 20CrMnTi-Stahl brach am Zahnfuß aufgrund eines zu hohen Schwefelgehalts während des Schmelzens, was zu Einschlüssen führte.
3. Fertigungsverbindung
   • Defekte: Falsches Wärmebehandlungsverfahren (z. B. unzureichende Härte aufgrund niedriger Abschrecktemperatur), unsachgemäßes Schweißverfahren (z. B. unvollständiges Eindringen, Poren), Oberflächenbearbeitungsfehler (z. B. Drehkratzer, die zu Ermüdungsrissquellen führen);
   • Beispiel: Ein Wellenteil riss während der Lagerung von selbst, da die innere Spannung durch das nicht rechtzeitige Anlassen nach dem Abschrecken zu hoch war.
4. Verbindungsnutzung
   • Defekte: Überlastbetrieb (z. B. Überlastung des Krans), Betrieb über Temperatur-/Druckgrenzen hinaus (z. B. Kesseldruck über dem Konstruktionswert), anormale Umgebung (z. B. kein Rostschutz in feuchten Umgebungen);
   • Beispiel: Eine Motorwelle erlitt einen Ermüdungsbruch aufgrund übermäßiger Wechselbelastungen, die durch übermäßige Gerätevibrationen verursacht wurden.
5. Wartungsverbindung
   • Defekte: Unzureichende Schmierung (Beschleunigung des Lagerverschleißes), versäumte Reinigung korrosiver Medien rechtzeitig (z. B. nicht entfernte Ablagerungen an den Innenwänden der Rohrleitung, Verstärkung der Korrosion), unsachgemäße Reparatur (z. B. Einführung neuer Risse während der Schweißreparatur).

VI. Verbesserungsvorschläge: Wiederholtes Auftreten von Ausfällen vermeiden