Integrierte Schadenanalyse

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Karlheinz G. Schmitt-Thomas

Integrierte SchadenanalyseTechnikgestaltung und das System des Versagens

3. Auflage

ISBN 978-3-662-46133-4 ISBN 978-3-662-46134-1 (eBook)DOI 10.1007/978-3-662-46134-1

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Karlheinz G. Schmitt-ThomasT.U. MünchenMünchenDeutschland

V

Vorwort zur 3. Auflage

Nachdem mit der ersten Auflage die kennzeichnenden Merkmale von Schäden sowie die Untersuchungsmethoden und die Systematik der Schadenuntersuchung abgehandelt wurden, konnten mit der zweiten Auflage Praxisbeispiele für die Durchführung der sys-tematischen Schadenuntersuchungen abgehandelt werden. Mit der dritten Auflage wird nun dargestellt wie folgenschwere Versagensfälle bis zu Katastrophen auf Schadenabläu-fen beruhen, die in konsequenter Anwendung von Erkenntnissen aus vorangegangenen Schäden vorhersehbar und vermeidbar gewesen wären. Es zeigt sich aber auch wie aus solchen Ereignissen im spezifischen Umfeld weitere Erfahrungen gewonnen werden kön-nen. Insoweit verbindet der Autor die Hoffnung dass aus einer in die Ingenieurwissen-schaften integrierten Schadenanalyse wertvolle Erkenntnisse für die technische Sicherheit zu gewinnen sind. Dies erscheint umso wichtiger als unter dem Druck des Marktes in immer schneller ablaufenden Entwicklungszyklen Neuerungen entstehen die nicht immer die Zuverlässigkeit und Reife besitzen die nach dem Stand der Technik und Wissenschaft möglich wären. So wird gerade jetzt während der Produktionsvorbereitung zu dieser Auf-lage vom Rückruf von bis zu 13 Mio. PKWs berichtet, wegen lebensgefährlichen Fehl-funktionen von Airbags.

Mein Dank und Anerkennung gilt Frau Manuela Hoßfeld für das Schreiben des Manu-skripts und für Ihre Kommunikation mit dem Verlag um alle formalen Voraussetzungen für die Produktion der Neuauflage zu schaffen. Ganz besonders ist dem Verlag vornehm-lich Herrn Lehnert und Frau Bromby zu danken für ihr aktives Interesse an der Neuauf-lage der „Schadenanalyse“, womit die Bedeutung des Fachgebiets für eine technische Entwicklung bei Sicherheit und Zuverlässigkeit unterstrichen wird.

VII

Vorwort zur 2. Auflage

Mit der ersten Auflage des vorgelegten Buchs wurde der Versuch unternommen, die Schadenanalyse als geschlossenes Wissensgebiet zusammenhängend darzustellen. Neben den Untersuchungsmethoden und den Morphologien von Schäden nimmt eine zentrale Stellung dabei die systematische Vorgehensweise nach speziellen Regeln ein. Die durch-weg positive Aufnahme der ersten Auflage machte außer einigen kleinen Korrekturen nur wenig Änderungen erforderlich. Als wesentliche und notwendige Ergänzung wurden in der zweiten Auflage die Fallstudien zu Schadenuntersuchungen erheblich erweitert. Be-sonders wurde dabei darauf geachtet, die Regeln zum Vorgehen bei der Schadenanalyse konsequent anzuwenden, indem von Untersuchungsschritt zu Untersuchungsschritt bis zur Ursache und der Auslösung des Schadens vorgedrungen wird.

Die Schadenfälle lehnen sich an die praktische Arbeit des Instituts für Schadenanalyse IST GmbH an. Bei der Ausarbeitung der Fälle ist besonders der Leiter dieses Bereichs, Herrn Dr.-Ing. Ralph Malke, zu nennen, dem ich für seine Arbeit sehr danke. Dank gebührt ebenfalls dem Leiter des Bereiches Forschung und Entwicklung bei der IST GmbH, Herrn Dr.-Ing. Stephan Schmitt, der mir bei der Bildauswahl und -zusammenstellung ebenso wie beim Korrekturlesen wertvolle Unterstützung leistete. Schließlich sei in den Dank eingeschlossen meine Sekretärin, Frau Ingrid Köstler, die in bereitwilliger Mehrarbeit das Schreiben der Manuskripterweiterung übernommen hat. Ebenfalls sei auch dieses Mal wieder dem Springer-Verlag gedankt für seine Kooperationsbereitschaft und Unterstüt-zung bei der Manuskripterstellung.

München, im Mai 2004 em. Univ. Prof. Dr.-Ing. Kh. G. Schmitt-Thomas

IX

Vorwort zur 1. Auflage

Die Aufgabe des Ingenieurs ist nicht damit erfüllt, naturwissenschaftliche Erkenntnisse in technische Anwendungen umzusetzen. Technik und Technologien können ihren Nutzen für die Gesellschaft und den Einzelnen erst dann bringen, wenn sie sicher und zuverlässig sind. Dies aber erfordert, Risiken zu erkennen und Sicherheit zu gestalten durch die fach-gerechte Analyse von Mängeln, Fehlern und Schäden, wie sie stets mit der Anwendung unserer Technik, insbesondere aber mit der Einführung von neuen Technologien verbun-den sind.

Mit diesem Buch „Integrierte Schadenanalyse – Technikgestaltung und das System des Versagens“ habe ich versucht, meine mehr als 35jährige Erfahrung in der Schaden-forschung zusammenzufassen. Herangeführt wurde ich an dieses faszinierende Gebiet des Ingenieurwesens durch Herrn Dr.-Ing. E. J. Pohl, damals Mitglied des Vorstands der Allianz Versicherung AG, der mich zu seiner Zeit als jungen Ingenieur mit dem Aufbau und der späteren Leitung eines Schadenforschungsinstituts beauftragte, das als das größte seiner Art in Europa galt. In dieser Aufgabe fand ich stete Unterstützung durch meinen Lehrer, Herrn Professor Dr.-Ing. habil. Heinz Borchers, dessen Lehrstuhl ich später als Nachfolger übernehmen durfte. Beiden Persönlichkeiten gilt meine tief empfundende Dankbarkeit für meine frühe Förderung und Unterstützung, mit der die Grundlage für meinen Werdegang und nicht zuletzt für diese Darstellung der Schadenanalyse geschaffen wurde. Von Herrn Dr.- Ing. E. J. Pohl wurde darüber hinaus dem Lehrstuhl von Professor Dr.-Ing. H. Borchers umfangreiches Bildmaterial aus seiner einzigartigen Sammlung von Schadenfällen überlassen, das in dieses Buch teilweise Eingang gefunden hat.

Zahlreiche Beispiele, insbesondere zur Beschreibung von Planung und Durchführung von Schadenanalysen sowie der Ableitung der Untersuchungsergebnisse stammen aus der aktuellen Arbeit des Instituts für Schadenanalyse IST GmbH in München, dessen techni-schen Leiter, Herrn Dr.-Ing. R. Malke, und dessen Mitarbeitern ich meinen Dank ausspre-che. Mit gesonderten Abhandlungen haben zu diesem Buch beigetragen

• Herr Dr.rer.nat. Wolfgang Loos, Abschn. 9.4 „Feinstrukturuntersuchungen“• Herr Dr.-Ing. Ralph Malke, Abschn. 10.1 „Polymere Kurzfaserverbundwerkstoffe“

X Vorwort zur 1. Auflage

• Herr Dipl.-Ing. Tobias Hiermer und Herr Dr.-Ing. Ralph Malke, Abschn. 10.2 „Lang-faser- und Gewebeverbundwerkstoffe“

• Herr Dipl.-Phys. Josef Mittermeier und Frau Dipl.-Ing. Christine Schubert, Abschn. 10.3 „Technische Keramik“

Diesen Autoren gilt mein Dank und meine Anerkennung für ihre Mithilfe bei der Abrun-dung des thematischen Inhalts des Buches.

Herr Dr. W. Loos hat es in bewährter Weise übernommen, das Manuskript einer kriti-schen Durchsicht zu unterziehen und Anregungen zu geben. Von Herrn Dipl.-Ing. Stephan Schmitt wurde das umfangreiche Bildmaterial bearbeitet und die Stimmigkeit der Bild-unterschriften mit dem Text überprüft. Beiden Herren aufrichtigen Dank für ihre wertvolle und unverzichtbare Kleinarbeit.

Schließlich seien in meinen Dank eingeschlossen alle diejenigen, die mir mit ihrem Rat und ihrer Erfahrung zur Seite standen. Nicht zuletzt ist dabei meine Sekretärin, Frau I. Köstler, zu erwähnen, die in stets bereitwilliger Mehrarbeit das Schreiben des Manu-skriptes übernahm.

Wie immer dann, wenn das Schreiben eines Buchmanuskripts neben den aktuellen Verpflichtungen und der Tagesarbeit vorgenommen werden muß, kommt vieles im per-sönlichen Umfeld zu kurz. Für das große Verständnis für diese Situation und für die stets erwiesene Geduld danke ich meiner Frau Annette sehr herzlich.

Schließlich möchte ich in meinen Dank einschließen den Springer Verlag für sein Inte-resse an diesem Manuskript und für seine verständnisvolle Betreuung.

München, Januar 1999 em. Univ. Prof. Dr.-Ing. Kh. G. Schmitt-Thomas

XI

Einführung

Technische Entwicklung ist ein Prozeß, der sich nicht in Laborversuchen, Simulations-untersuchungen und Testläufen vollständig zum Abschluß bringen läßt. Erfahrungen aus dem Verhalten in vielfältigem Praxiseinsatz unter den dort auftretenden außergewöhn-lichen und unvorhersehbaren Bedingungen und Konstellationen sind unverzichtbar, um optimale Gestaltung und Ausführung von Bauteilen, Maschinen, Anlagen und Geräten zu erreichen. Die Praxis stellt somit das Versuchsfeld dar, das Erkenntnisse zu liefern in der Lage ist, um Technik so zu gestalten, daß diese weitest möglich sicher und zuverlässig in allen Situationen ist. Dieses Buch wendet sich entsprechend an Ingenieure aller Fachrich-tungen und in allen Funktionen. Der Entwickler, der Fertigungsingenieur, der Betreiber, der Kundendienstingenieur und der Überwacher sind in gleicher Weise angesprochen.

Um aus dem Verhalten und dem Versagen der Technik im praktischen Einsatz die richtigen Schlüsse zu ziehen, ist ein streng folgerichtiges Vorgehen bei der Untersuchung von Stör- und Schadenfällen erforderlich. Dabei sind die Merkmale an Schadenteilen und Vergleichsteilen im Zusammenhang mit den Schadenumständen und mit den aus Prüfun-gen bekannten Bauteileigenschaften zu sehen. Aus dem vollständig nachzuvollziehenden Schadenablauf sind die Maßnahmen zur Schadenverhütung abzuleiten. Dieser Prozeß wird allerdings nie zu einem Abschluß kommen, weil eine sich ständig weiterentwickeln-de Technik immer wieder zu Neuland führt, das auch wieder neue Risiken und Schaden-fälle beinhaltet, die erneuter Aufklärung und Erkenntnisgewinnung bedürfen. Technische Entwicklung bleibt damit immer in gewissem Maße ein iterativer Prozeß des trial and error.

Hier soll der Versuch unternommen werden, das Gebiet der Schadenanalyse und sei-ne Einbettung in die technische Entwicklung erstmals in eine geschlossene Darstellung zu bringen. Zunächst wird aufgezeigt, wie die Geschichte der Technik gleichzeitig eine Geschichte der Versagensfälle ist und welche Bedeutung die Erfahrung aus Irrwegen und Fehlentwicklungen für den technischen Fortschritt hat. Spektakuläre und weniger spekta-kuläre Schäden, Unfälle und Katastrophen werden aufgeführt, um die oft vielfache Ver-netzung von Einzelvorgängen im Schadenereignis erkennbar zu machen. Solche Beispiele können naturgemäß nur eine kleine Auswahl sein und finden nahezu täglich in Meldungen und Nachrichten ihre Fortsetzung. Sie reichen von der Reaktorkatastrophe über Flugzeug-abstürze, Zwischenfällen bei Transporten radioaktiven Materials bis zu Schiffsuntergän-

XII Einführung

gen und der ICEKatastrophe, die kurz vor Abschluß dieses Manuskripts die Öffentlichkeit beschäftigt hat.

Nahezu zwangsläufig führt diese Betrachtung zu den Ursprüngen technischen Versa-gens, die in allen Phasen eines Produktzyklus von der ersten Idee bis zur Verwertung und Entsorgung liegen können. Strategie und Planung der Schadenanalyse lassen unmittelbare Parallelen zur Entwicklung eines Produkts und zur Konstruktionssystematik erkennen. Das Rückverfolgen der Produktentstehung und des Produktlebenslaufs bis zum Scha-denereignis ist dabei vergleichbar mit der Arbeitsweise in der Kriminalistik, um die es sich als „technische Kriminalistik“ schließlich auch handelt. Es gehört entsprechend dazu die Erfassung und Auswertung von Indizien am Schadenobjekt und hier wieder besonders am Schadenteil. Diese Bewertung von Schadenmerkmalen ist Aufgabe von Laborunter-suchungen, die schwerpunktmäßig fraktographische und metallographische Untersuchun-gen zum Gegenstand haben. Damit läßt sich gleichzeitig auch die Frage beantworten, warum gerade werkstoffkundliche Untersuchungen bei der Schadenaufklärung vielfach eine zentrale Bedeutung einnehmen. Der Werkstoff ist oft der einzige zuverlässige Daten-träger, aus dem sich Schadeninitiierung, Schadeneinflüsse und Schadenabläufe ableiten und beweisen lassen. Allerdings führt diese Tatsache zuweilen auch dazu, daß versucht wird, Schäden allein durch Laboruntersuchungen aufzuklären. Hier verhält es sich wieder wie in der Kriminalistik, die nicht in der Auswertung von Spuren steckenbleiben darf, sondern durch Einbeziehung des Umfelds die Ergebnisse zu verifizieren hat.

Die Werkstoffprüfung und die Werkstoffcharakterisierung ist nach diesem Verständnis ähnlich einzuordnen wie die Bewertung der Berechnung und der Konstruktion. Mit Hilfe der Kennwerte aus geeigneten Prüfverfahren läßt sich beurteilen, ob die Anforderungen, die bei einem gegebenen Einsatzzweck gefordert sind, durch die Bauteileigenschaften erfüllt werden oder ob durch Mängel in der Gestaltung, durch falsche Werkstoffwahl und -behandlung, durch Fertigungs- und Betriebseinflüsse oder durch Prüf- und Überwa-chungsmängel schadenrelevante Faktoren vorliegen.

Die Schadenanalyse als Bestandteil der technischen Entwicklung und des technischen Fortschritts ist im besten Sinn ein interdisziplinäres Wissensgebiet, das sich in einer einzi-gen Abhandlung wohl in seiner vielfältigen Vernetzung darstellen läßt, aber nicht in allen Einzelheiten vollständig behandelt werden kann.

Mit diesem Buch soll nicht nur ein Beitrag zu den Anstrengungen für Sicherheit und Zuverlässigkeit moderner Technik geleistet werden, sondern auch eine Anregung zu mehr Offenheit und Ehrlichkeit bei der Diskussion über Probleme und Gefahren, die mit unserer Technik verbunden sein können. Nur auf diese Weise kann der sogenannten Technikfeind-lichkeit begegnet werden, die wohl eher ein Mißtrauen der Öffentlichkeit ist, das seinen Nährboden in der viel zu oft betriebenen Verharmlosung von Problemen findet, die erst dann sichtbar werden, wenn es zu alarmierenden Zwischenfällen, Unfällen und Katastro-phen gekommen ist. So ist es die Absicht, über die Bereitstellung einer sicheren und zu-verlässigen Technik hinausgehend auch zu mehr Technikakzeptanz und zu mehr Vertrauen der Öffentlichkeit in die Ergebnisse der Ingenieurarbeit beizutragen.

XIII

Inhaltsverzeichnis

1 Geschichte der Technik – Geschichte der Versagens- und der Schadenfälle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1Weiterführende Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

2 Erkenntnisgewinn aus dem System technischen Versagens . . . . . . . . . . . . . 7Weiterführende Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

3 Evolution und Selektion in der Technik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113.1 Vorbild Natur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113.2 Autonomes technisches Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14Weiterführende Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

4 Ereignisketten von Pannen zu Katastrophen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214.1 Kleinteile und „Sonstiges“ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224.2 Der Fall Corvair – kein Endpunkt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234.3 Ein Schicksalsbolzen in der Zivilluftfahrt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234.4 Verstrickungen auf See . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254.5 Automation und Schnittstelle Mensch-Maschine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 274.6 Fehler bei Elektronik und elektrischen Netzwerken . . . . . . . . . . . . . . . . . 284.7 Wenn Bauwerke ihre Festigkeit verlieren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30Weiterführende Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

5 Strategischer Standort der Schadenanalyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 335.1 Produktzyklus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

5.1.1 Konstruktions- und Planungsphase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 345.1.2 Realisierungsphase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 365.1.3 Nutzungsphase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 405.1.4 Wartungs- und Reparaturphase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 435.1.5 Folgerungen zur Qualitätssicherung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

5.2 Kriterien für Bauteilgestaltung und Werkstoffwahl . . . . . . . . . . . . . . . . . . 485.2.1 Ursprünge der Werkstoffprüfung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

XIV Inhaltsverzeichnis

5.2.2 Mechanische Beanspruchung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 495.2.3 Riß- und Fehlertoleranz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 515.2.4 Reibkorrosionsbeanspruchung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 525.2.5 Schwingungsrißkorrosionsbeanspruchung (SwRK) . . . . . . . . . . . 535.2.6 Spannungsrißkorrosionsbeanspruchung (SpRK) . . . . . . . . . . . . . . 535.2.7 Thermomechanische Beanspruchung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 545.2.8 Schadenanalyse und technische Sicherheit . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

Weiterführende Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

6 Begriffe und Sequenzen bei Versagensprozessen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 576.1 Begriffsdefinition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 576.2 Begriffsbewertungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 586.3 Ursache – Wirkungszusammenhang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60Weiterführende Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

7 Systematik der Schadenklärung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 637.1 Konzeption einer Schadenuntersuchung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 637.2 Arbeits- und Entscheidungsschritte bei der Schadenklärung . . . . . . . . . . . 667.3 Befundvergleiche zur Bewertung und Zuordnung

von Schadenmerkmalen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72Weiterführende Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79

8 Voraussetzungen und Planung werkstoffkundlicher Untersuchungen . . . . 818.1 Einteilung und Aufgabenstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 818.2 Untersuchungsziel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 838.3 Untersuchungsmaterial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83

8.3.1 Auswahlkriterium Schädigungsgrad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 848.3.2 Auswahlkriterium Initialschaden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86

8.4 Zuordnung und Kennzeichnung von Untersuchungsmaterial . . . . . . . . . . 888.5 Entnahme und Versand von Untersuchungsmaterial . . . . . . . . . . . . . . . . . 898.6 Probenplan für die Laboruntersuchungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90Weiterführende Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92

9 Beanspruchungsreaktionen und Schadenmerkmale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 939.1 Äußere Beurteilung von Schadenteilen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94

9.1.1 Untersuchungsverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 949.1.2 Makromorphologische Merkmale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 949.1.3 Mikromorphologische Merkmale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99

9.2 Fraktographie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1039.2.1 Untersuchungsverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1059.2.2 Makrofraktographische Bruchmerkmale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107

9.2.2.1 Gewaltbrüche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108

XVInhaltsverzeichnis

9.2.2.2 Wechselbeanspruchungsbrüche (Schwingbrüche, Dauerbrüche) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116

9.2.2.3   Brüche unter korrosiven Zusatzeinflüssen  . . . . . . . . . . . 1269.2.2.4   Thermisch beeinflußte Riß- und Bruchvorgänge  . . . . . . 134

9.2.3 Mikrofraktographische Bruchmerkmale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1399.2.3.1 Gewaltbrüche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1399.2.3.2 Werkstoffehler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1549.2.3.3 Wechselbeanspruchungsbrüche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155

9.3 Metallographie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1609.3.1 Makroschliffe (Makroschnitte) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161

9.3.1.1   Makroschliffe ungeätzt  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1619.3.1.2   Makroschliffe geätzt  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166

9.3.2 Mikroschliffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1739.3.2.1   Mikroschliffe ungeätzt  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1769.3.2.2   Mikroschliffe geätzt  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1779.3.2.3   Schadenerscheinungen im Mikrogefüge  . . . . . . . . . . . . . 178

9.4 Feinstrukturuntersuchungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1959.4.1   Methodik  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1979.4.2   Anwendungsmöglichkeiten  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198

 9.4.2.1   Bestimmung der Phasenzusammensetzung  von Werkstoffen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198

 9.4.2.2  Analyse von Reaktionsprodukten  . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198 9.4.2.3 Analyse von Ablagerungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199

9.4.3   Anwendungsbeispiel  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199Weiterführende Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201

10 Schadenmerkmale an nichtmetallischen Werkstoffen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20310.1   Polymere Kurzfaserverbundwerkstoffe  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204

10.1.1   Äußere Beurteilung geschädigter Bauteile  . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20610.1.2   Fraktographische Beurteilung geschädigter Bauteile  . . . . . . . . . . 207

10.1.2.1 Makrofraktographische Bruchmerkmale . . . . . . . . . . . . 20710.1.2.2 Mikrofraktographische Bruchmerkmale . . . . . . . . . . . . . 208

10.1.3   Plastographische Untersuchungen  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21010.2   Langfaser- und Gewebeverbundwerkstoffe  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213

10.2.1   Äußere Beurteilung  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21310.2.2 Fraktographie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213

10.2.2.1 Gewaltbrüche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21510.2.2.2 Schwingungsbrüche (Dauerbrüche) . . . . . . . . . . . . . . . . 219

10.2.3   Plastographische Untersuchungen  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21910.3   Technische Keramik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220

10.3.1 Fraktographie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22210.3.1.1 Transkristalliner Bruch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22210.3.1.2 Interkristalliner Bruch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223

XVI

10.3.2 Versagensarten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22310.3.2.1 Spontanes Versagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22310.3.2.2 Unterkritisches Rißwachstum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22510.3.2.3 Kriechen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226

10.3.3 Weibullanalyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22610.3.4 Fraktographische Untersuchungsmethoden . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22710.3.5 Methoden zur Qualitätskontrolle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229

Weiterführende Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229

11 Werkstoffcharakterisierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23111.1 Chemische Analyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232

11.1.1 Integrative chemische Analyse (Stückanalyse) . . . . . . . . . . . . . . . 23211.1.1.1 Absorptionsspektroskopie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23211.1.1.2 Emissionspektroskopie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23311.1.1.3 Chromatographie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23311.1.1.4 Naßanalytische Verfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23311.1.1.5 Stellung der integrativen chemischen Anaytik

in der Schadenklärung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23411.1.2 Feinbereichsanalyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234

11.2 Festigkeitseigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23811.2.1 Zugfestigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23911.2.2 Bruchverhalten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24311.2.3 Zeitstandfestigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24711.2.4 Festigkeit unter mechanischer Wechselbeanspruchung . . . . . . . . . 248

11.3 Korrosionsverhalten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25011.3.1 Bewertung der elektrochemischen Korrosion

(Feuchtekorrosion) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25111.3.2 Bewertung der Hochtemperaturkorrosion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253

11.4 Werkstoffanpassung und -Fehlpassungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254Weiterführende Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 256

12 Simulationsuntersuchungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259Weiterführende Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265

13 Abfassung des Schadengutachtens . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26713.1 Gutachtenauftrag . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268

13.1.1 Schadenaufnahme an der Anlage oder Anlaß zur Schadenuntersuchung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26813.1.1.1 Feststellung, Befunde . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26813.1.1.2 Schlußfolgerungen aus der Schadenaufnahme . . . . . . . 268

13.2 Untersuchungsmaterial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 269

Inhaltsverzeichnis

XVII

13.3 Äußere Beurteilung (vgl. Abschn. 9.1) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26913.3.1 Feststellungen, Befunde . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26913.3.2 Schlußfolgerungen aus der äußeren Beurteilung . . . . . . . . . . . . . . 270

13.4 Spezifische Vertiefungsuntersuchungen zur Erfassung von Schadenmerkmalen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 270

13.5 Vergleich zwischen Eigenschaften von Werkstoff und Bauteil mit den Anforderungen aus dem Betrieb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271

13.6 Schlußfolgerungen zur Schadenursache und Maßnahmen zur Schadenverhütung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272

14 Fallbeispiele zur Durchführung von Schadenanalysen . . . . . . . . . . . . . . . . . 27314.1 Prinzip der Darstellung der Fallbeispiele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27314.2 Untersuchungs- und Entscheidungsschritte bei

der Schadenklärung an Praxisfällen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27514.2.1 Klärung der Verantwortlichkeit beim Radnabenbruch eines

Nutzfahrzeuges . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27514.2.1.1 Vorbemerkung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27514.2.1.2 Veranlassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27614.2.1.3 Informationen zum Fahrzeug . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27614.2.1.4 Vorgeschichte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27614.2.1.5 Ziel der Untersuchung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27614.2.1.6 Untersuchungsmaterial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27614.2.1.7 Äußere Beurteilung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27714.2.1.8 Makrofraktographische Untersuchung . . . . . . . . . . . . . 28014.2.1.9 Rasterelektronenmikroskopische Untersuchungen . . . . 28014.2.1.10 Metallographische Untersuchung . . . . . . . . . . . . . . . . . 28114.2.1.11 Ergebniszusammenstellung und

Schadenrekonstruktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28214.2.2 Untersuchung der Bruchursache an Rotorarmen

von Laborzentrifugen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28214.2.2.1 Vorbemerkung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28214.2.2.2 Schadensituation und Anlaß zur Untersuchung . . . . . . 28314.2.2.3 Angaben zum Gerät . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28314.2.2.4 Untersuchungsmaterial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28314.2.2.5 Äußere Beurteilung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28414.2.2.6 Makrofraktographie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28414.2.2.7 Mikrofraktographische Untersuchung . . . . . . . . . . . . . 28514.2.2.8 Metallographie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28614.2.2.9 Chemische Analyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28814.2.2.10 Härtemessungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28814.2.2.11 Ergebniszusammenstellung und

Schadenrekonstruktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 289

Inhaltsverzeichnis

XVIII

14.2.3 Ursache plötzlich auftretender Falzungenauigkeiten an einem Falzapparat einer Rollenoffsetmaschine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28914.2.3.1 Vorbemerkung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28914.2.3.2 Schadensituation und Anlaß zur Untersuchung . . . . . . 28914.2.3.3 Rundlaufmessungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29114.2.3.4 Äußere Beurteilung des Falzklappenzylinders . . . . . . . 29214.2.3.5 Metallographische Untersuchungen . . . . . . . . . . . . . . . 29314.2.3.6 Abschätzung der Deformationskräfte . . . . . . . . . . . . . . 29414.2.3.7 Zusammenfassung und Schlußfolgerung . . . . . . . . . . . 294

14.2.4 Widerspruchsklärung verschiedener Schadenuntersuchungen an einem Tragring . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29514.2.4.1 Vorbemerkung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29514.2.4.2 Angaben zum Objekt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29514.2.4.3 Informationen zum Schaden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29714.2.4.4 Unterlagen zur Beurteilung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29714.2.4.5 Ergebnisse der Bewertung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29714.2.4.6 Ergebnisse eigener Schadenuntersuchung . . . . . . . . . . 29914.2.4.7 Zusammenfassende Bewertung

zum Schadenvorgang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30214.2.5 Klärung einer Schadenserie bei Slicern in

der Wurstwarenfabrikation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30414.2.5.1 Vorbemerkung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30414.2.5.2 Gegenstand der Untersuchungen . . . . . . . . . . . . . . . . . 30414.2.5.3 Konzeption und konstruktive Gestaltung

des Schadengegenstands . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30514.2.5.4 Anlaß zur Untersuchung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30614.2.5.5 Untersuchungsmaterial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30614.2.5.6 Äußere Beurteilung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30714.2.5.7 Mikrofraktographische Untersuchung . . . . . . . . . . . . . 30914.2.5.8 Auslegung und konstruktive Gestaltung . . . . . . . . . . . . 31014.2.5.9 Ergebniszusammenstellung und

Schadenrekonstruktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31114.2.6 Schäden an Wärmetauscherplatten eines Luftvorwärmers . . . . . . 311

14.2.6.1 Vorbemerkung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31114.2.6.2 Gegenstand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31114.2.6.3 Untersuchungsanlaß . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31214.2.6.4 Untersuchungsziel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31214.2.6.5 Untersuchungsmaterial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31314.2.6.6 Äußere Beurteilung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31314.2.6.7 Mikromorphologische Untersuchungen

der Oberfläche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31414.2.6.8 Metallographische Untersuchung . . . . . . . . . . . . . . . . . 315

Inhaltsverzeichnis

XIX

14.2.6.9 Simulationsversuch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31614.2.6.10 Ergebniszusammenfassung, Schadenrekonstruktion

und Abhilfe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31714.2.7 Kausalität zwischen einem Störfall an einem

Kraftwerkskessel und Schäden an Sammler und Berohrung . . . . . 31714.2.7.1 Vorbemerkung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31714.2.7.2 Informationen zur schadengegenständlichen

Kesselanlage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31814.2.7.3 Informationen zum Störfall . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32014.2.7.4 Äußere Beurteilung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32114.2.7.5 Metallkundliche Untersuchungen . . . . . . . . . . . . . . . . . 32114.2.7.6 Temperaturberechnung über die

thermodynamischen Zustände und über die Wärmeübertragungsgleichung . . . . . . . . . . . . . . . . . 322

14.2.7.7 Zeitverlauf bis zur Durchwärmung des Sammlers . . . . 32314.2.7.8 Dehnungen und Spannungen im Sammler unter

Übertemperatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32414.2.7.9 Wasserstoffwerte im Dampfkreislauf . . . . . . . . . . . . . . 32614.2.7.10 Ergebniszusammenstellung und

Schadenrekonstruktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32614.2.8 Klärung der Ursache von Verformungen am

Flammrohr eines Kessels Bauart Fox . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32614.2.8.1 Vorbemerkung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32614.2.8.2 Veranlassung zur Untersuchung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32714.2.8.3 Ziel der Untersuchung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32714.2.8.4 Angaben zum Kessel und Betrieb . . . . . . . . . . . . . . . . . 32714.2.8.5 Äußere Beurteilung des Flammrohres (Wellrohres) . . . 32814.2.8.6 Mikromorphologische Untersuchung . . . . . . . . . . . . . . 32814.2.8.7 Metallographische Untersuchung . . . . . . . . . . . . . . . . . 33014.2.8.8 Ergebniszusammenfassung und Rekonstruktion

des Schadenablaufs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33214.2.9 Ursache von Undichtheiten an seewassergekühlten Ölkühlern . . . 332

14.2.9.1 Vorbemerkung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33214.2.9.2 Veranlassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33314.2.9.3 Untersuchungsgegenstand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33314.2.9.4 Konstruktive Ausführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33314.2.9.5 Äußere Beurteilung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33414.2.9.6 Mikromorphologische Untersuchung . . . . . . . . . . . . . . 33614.2.9.7 Chemische Analyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33614.2.9.8 Elektrochemische Messung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33714.2.9.9 Metallographische Untersuchung . . . . . . . . . . . . . . . . . 337

Inhaltsverzeichnis

XX

14.2.9.10 Ergebniszusammenstellung und Schadenrekonstruktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 338

14.3 Ergebnisdarstellung aus Untersuchungen weiterer Schadenfälle . . . . . . . 33814.3.1 Ursache von Maßinstabilitäten im Walzspalt eines

YankeeTrockenzylinders einer Papiermaschine . . . . . . . . . . . . . . 33914.3.1.1 Vorbemerkung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33914.3.1.2 Informationen zum Trockenzylinder . . . . . . . . . . . . . . . 33914.3.1.3 Untersuchungsanlass . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34014.3.1.4 Messungen am Zylinder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34114.3.1.5 Bewertung der Innenoberfläche des Zylinders . . . . . . . 34114.3.1.6 Folgerungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 341

14.3.2 Zusammenhang zwischen korrosionsinduzierten Brüchen an Saugwalzen und Stranggußparametern . . . . . . . . . . . 34314.3.2.1 Vorbemerkung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34314.3.2.2 Informationen zu den Saugwalzen . . . . . . . . . . . . . . . . 34314.3.2.3 Äußere Beurteilung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34314.3.2.4 Metallographische Untersuchungen . . . . . . . . . . . . . . . 34414.3.2.5 Rekonstruktion der Gefügeentstehung . . . . . . . . . . . . . 34514.3.2.6 Schlussbetrachtung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 346

14.3.3 Altersbestimmung einer Wasserleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34714.3.3.1 Vorbemerkung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34714.3.3.2 Untersuchungsablauf und Ergebnis . . . . . . . . . . . . . . . . 347

Weiterführende Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 349

15 Folgenschwere Schadenfälle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35115.1 Getriebeschaden bei Inbetriebnahme einer Gasturbinenanlage . . . . . . . . . 35115.2 ICE-Entgleisung durch Bruch eines Radkranzes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35415.3 Der Deckeneinsturz eines Schwimmbads durch

Spannungsrisskorrosion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35715.4 Schäden durch verzögerten Bruch hochfester Stähle . . . . . . . . . . . . . . . . 36015.5 Fehler bei der Betriebsgenehmigung einer Papiermaschine . . . . . . . . . . . 36215.6 Einfluss von Betriebsbedingungen auf die Beständigkeit

warmfester Werkstoffe in Brennwertkesseln . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 366Weiterführende Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 369

16 Schlußbetrachtung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 371

Sachverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 373

Inhaltsverzeichnis