TWI: Sprödbruch

Einige eisenhaltige Metalle sind unter Zug-, Druck-, Biege- und Torsions-Belastung spröde. Andere, wie zum Beispiel Baustahl, sind duktil. Allerdings sind sie unterschiedlich duktil. Das lässt sich durch Zugproben quantifizieren. Dabei wird die Zugfestigkeit des Werkstoffs bewusst überschritten, so dass er bricht. Davor kam es erst zu elastischer und dann dauerhafter plastischer Verformung. Während der Zugprobe schnürt sich das Prüfstück meist ein, wobei es länger und schlanker, d.h. seine Querschnittsfläche verkleinert sich. Andere Werkstoffe zeigen dieses duktile Einschnürungsverhalten nicht, sie versagen durch Sprödbruch.

Bei einer Kerbschlagbiegeprobe (Charpy Test) ist die lokale Belastung an Spitze der Kerbe sehr hoch, so dass sich der Werkstoff dort schnell verformt, aber in anderen Bereichen ist sie vergleichsweise gering. Dadurch kommt es zum Bruch mit nur geringer Verformung. Beim Sprödbruch kommt es ohne vorhergehende Warnung zum sofortigen Bruch. Die Rissgeschwindigkeit beträgt dabei bis zu 1 km pro Sekunde. Durch die Nut kommt es zu einer ungleichmäßigen Spannungsverteilung. Wenn man sich ein kleines Element an der Spitze der Kerbe vorstellt, ist das de facto ein kleines, auf Zug belastetes Prüfstück. Ohne das umgebende Material würde es sich wie bei einer Zugprobe verhalten, aber es ist von Material umgeben. Seine Enden sind in gering belasteten Regionen eingebettet, während seine Mitte in der hochbelasteten, plastischen Zone liegt. Die Kerbe verursacht an den Spannungsspitzen eine hohe plastische Verformung. Die Spannung ist an der Spitze der Kerbe sehr hoch ist, und in den weitgehend unverformten Regionen gering. Das plastisch verformte Material versagt plötzlich ohne Deformation und ohne Warnung durch Sprödbruch. Wenn die Belastung aufrecht erhalten wird, pflanzt sich der Riss fort, bis das gesamte Prüfstück bricht.

Der Riss beginnt ausnahmelos an einer Spannungsspitze, einer Kerbe, einem Loch, einer Abdeckplatte, oder einer Kranöse. Die Widerstandsfähigkeit eines Werkstoffes gegen sprödes und zähes Versagen wird Kerbschlagzähigkeit genannt. Sie kann unter anderem durch die 1905 von George Charpy entwickelte Kerbschlagbiegeprobe quantifiziert werden. Die Kerbschlagbiegeprobe ermittelt die zum Bruch eines kleinen, genormten Prüfstücks erforderliche Energie. Es erlaubt eine Aussage zur Widerstandsfähigkeit gegen das Entstehen von Rissen sowie über deren Fortpflanzen.

Um Sprödbruch in Bauteilen zu vermeiden, wird oft eine minimale Kerbschlagzähigkeit spezifiziert. Dabei spielt die Temperatur eine wichtige Rolle. Insbesondere in ferritischen Werkstoffen wie Baustählen. Abgekühlte Prüfstücke brechen bei weniger Energie als bei Prüfstücke bei Raumtemperatur.

Sprödbruch tritt vor allem bei niedrigen Temperaturen auf. Es gibt eine Überganstemperatur zu zähem Versagen mit relativ langsamen Rissfortpflanzungsgeschwindigkeiten bei höheren Temperaturen. Der Temperaturbereich, in dem sich das Versagen von spröde auf zäh ändert wird Übergangstemperatur genannt. Oberhalb davon absorbiert duktiles Versagen viel Energie, unterhalb davon gibt es nur geringe Energieaufnahme und ein hohes Sprödbruchrisiko. Die Übergangstemperatur kann auch in Zugproben durch die Ermittlung der Einschnürung ermittelt werden, aber das lässt sich praktisch schlecht anwenden.

Sprödbruch kommt insbesondere bei dickwandigen Bauteilen vor die hohen Umformgeschwindigkeiten ausgesetzt sind. Daher sind Materialuntersuchungen mit großen Prüfstücken, die die Realbauteile repräsentieren, erforderlich. Die Belastungsgeschwindigkeit hat auch einen Einfluss auf die Lage der Übergangstemperatur.

Prüfstücke mit der gesamten Wanddicke werden bei langsam aufgebrachter Belastung zur Ermittlung der Rissöffnungsverschiebung (Crack Tip Opening Displacement, CTOD) untersucht. CTOD-Untersuchungen sind erforderlich, um Fehlerbewertungsprozeduren zu entwickeln. Dabei werden meist große, rechteckige Prüfstücke mit einer scharfkantigen Kerbe und einem kleinen Ermüdungsriss, oder in anderen Worten einer Rissöffnung, untersucht. Die Größe des Spalts vor dem Bruch ist ein Maß für die Bruchzähigkeit. Das Prüfstück wird mit Trockeneis abgekühlt. Die Größe des Spalts wird mit ein Dehnungsaufnehmer (Clip Gauge) gemessen. Sie wird automatisch in einem Spannungs-Dehnungs-Diagramm dargestellt. Der Riss pflanzt sich mit vernachlässigbarer Geschwindigkeit fort. Die ursprüngliche Risslänge wird nach dem Test ermittelt. Außerdem werden die Bruchoberflächen begutachtet.

Die Prüfstücke haben unterschiedliche Formen und Größen. Das CT-Muster (Compact Tension Specimen) ist zwar kleiner als ein Biegeprobenmuster, aber es ist kostenaufwendiger in der Herstellung. Full-Scale-Wide-Plate-Tests und zweiachsige Untersuchungen (Biaxial Tests) wurden eingesetzt, um die Konstruktionsmethoden zu verifizieren. Dafür wird ein mit Fehlern versehenes Prüfstück großen Pratzen verschweißt, die die Belastung übertragen. Die Plattentemperatur wird mit Thermoelementen gemessen. Die Belastung wird nur langsam erhöht. Die Belastung und die Öffnungsweite des Spalts werden aufgezeichnet, bis der Sprödbruch auftritt.

TWIs Expertenwissen bezüglich Sprödbruch war gefragt, als die Normen BS7910 und BS7448 erstellt wurden. Dabei sind die Betriebstemperatur, die Dicke und Bruchzähigkeit des Stahls, die Lastanstiegsgeschwindigkeit, die Eigenspannungen und das Vorhandensein von Fehlern wichtige Faktoren. Während der Konstruktionsphase sollten alle diese Eigenschaften und Parameter berücksichtigt insbesondere unter Betriebsbedingungen berücksichtigt werden, um die Bauteile sprödbruchgerecht auszulegen.     

Für Unternehmen in Süddeutschland, Österreich und der Schweiz stellt AluStir auf Anfrage gerne weitere Informationen zur Vermeidung von Sprödbruch zur Verfügung. Bitte kontaktieren Sie uns per Telefon (+49 6024 636 0123) oder E-Mail (stephan.kallee@alustir.com).