Schadensanalyse

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Schadensanalyse – Grundlagen

Schadensanalyse, Bewertung von Schadensfällen

Schadensanalysen dienen der Ermittlung von Versagensursachen von Bauteilen und der daraus zu schlussfolgernden Einleitung gezielter Maßnahmen zur Schadensabhilfe und Schadensverhütung.

Für die Schadensanalyse an Kunststoffen steht ein breites Spektrum an Methoden der Analytik, Kunststoffprüfung und Kunststoffdiagnostik zur Verfügung.
Da im Vergleich zu metallischen Werkstoffen die Eigenschaften von Kunststoffbauteilen wesentlich stärker durch Konstruktion, Werkstoffauswahl sowie durch Ver- und Bearbeitungsbedingungen beeinflusst werden, müssen diese Einflussfaktoren bei der Durchführung von Schadensanalysen an Kunststoffen eine besondere Berücksichtigung finden.

Die breite Palette möglicher Kunststoffmodifikationen und der Einsatz von Füll- und Verstärkungsstoffen (siehe Faserverstärkte Kunststoffe), Additiven und Stabilisatoren bedingen im praktischen Einsatz unterschiedlichste Versagens- und Schädigungsmechanismen, die die funktionale Integrität des Bauteils erheblich beeinflussen können.
Kunststoffbauteile unterliegen während des Einsatzes oftmals sehr komplexen mechanischen, thermischen, medialen und klimatischen Beanspruchungen, die in Verbindung mit Alterungs- und Degradationseffekten zum Versagen des Bauteils durch Bruch führen können.
Infolge der vorhandenen Kriechneigung der Kunststoffe und den auftretenden Relaxationsbedingungen kann in Verbindung mit dem Eigenspannungs- und Orientierungszustand sowie dem viskoelastischen Verformungsverhalten entweder eine plastischen Instabilität mit unzulässig großen Deformationen oder instabile Rissausbreitung auftreten.

Schadensanalyse, Bruchflächenanalyse

Die Bruchflächenanalyse lässt erste Rückschlüsse auf die Versagensart und die Bedingungen zu, unter denen das Versagen eingetreten ist. Bereits mit dem bloßen Auge oder mit Hilfe eines Mikroskops kann zwischen einem Sprödbruch und einem Zähbruch unterschieden werden. Weiterhin lässt sich ermitteln, ob das schadhafte Bauteil vor dem Bruch statisch, schlagartig oder zyklisch (z. B. schwingend) beansprucht wurde (siehe auch: Ermüdung).

Bild:

Bruchfläche eines Bauteils aus Polyethylen hoher Dichte (Kurzzeichen: PE-HD) nach zyklischer Beanspruchung

Schadensanalyse, Komplexität

Ein Schaden ist definiert als Veränderungen an einem Bauteil, durch die seine vorgesehene Funktion wesentlich beeinträchtigt oder unmöglich gemacht wird, wobei die Schadensursache die Summe der schadensauslösenden Einflüsse ist.
In der Schadensanalyse wird vom Schadensbild – den augenscheinlichen Schadensphänomenen – auf die Schadensart und die Schadensursache geschlossen.

Bei Kunststoffbauteilen treten folgende Schadensphänomene bevorzugt auf:

• plastische Deformation, Verformung
• Rissbildung
• Bruch
• Oberflächenschäden
• Verfärbungen

Eine der häufigsten zum katastrophalen Versagen führenden Versagensursachen ist der Sprödbruch von Bauteilen oder Bauteilkomponenten (siehe: Brucharten). Der Sprödbruch wird durch verschiedene Einflussfaktoren, die sowohl einzeln als auch komplex auftreten können, begünstigt (siehe Sprödbruchfördernde_Faktoren).

Bild:

Sprödbruchfördernde Einflussfaktoren auf Kunststoffbauteile

Ein Bauteilschaden tritt dann auf, wenn das Eigenschaftsprofil des Werkstoffes (physikalische, mechanische, thermische und chemische Eigenschaften) nicht mit dem Anforderungsprofil des Bauteiles übereinstimmt.

Schadensanalyse, mechanische Beanspruchung

Versagt ein Bauteil im Gebrauch als Folge ausschließlich mechanischer Beanspruchung, kann davon ausgegangen werden, dass dieses Bauteil über die aufgrund der Bauteilauslegung festgelegte zulässige Belastungsgrenze hinaus beansprucht wurde beziehungsweise, dass es nicht dem bestimmungsgemäßem Gebrauch ausgesetzt war, das heißt, dass eine Überbeanspruchung vorlag (siehe Kunststoffbauteil, Dimensionierung).

Bild:

Schäden durch mechanische Beanspruchung – Schadensphänomene, Schadensursachen und Nachweis der Schäden

Bauteilversagen infolge mechanischer Beanspruchung im unterkritischen Bereich hingegen ist ein Indiz dafür, dass die eigentliche Schadensursache nicht in der mechanischen Beanspruchung selbst, sondern in der Bauteilkonstruktion, der Werkstoffauswahl, der Verarbeitungsqualität oder in der Wirkung äußerer Einflüsse (Temperatur, Medien, Strahlung…) zu suchen ist. Die mechanische Beanspruchung bereits vorgeschädigter Bauteile ist dann letztendlich die Belastung, die zum endgültigen Bauteilversagen führt. Tritt zum Beispiel infolge medialer Beanspruchung eine Versprödung des Werkstoffes und eine damit gekoppelte Rissbildung (siehe: Bruchentstehung) auf, so führt eine zusätzliche mechanische Beanspruchung zur Öffnung der Rissflanken, einer damit verbundenen Rissausbreitung und schließlich zum Bruch, dem endgültigen Versagen des Bauteiles, das mit einer zum Verlust der Tragfähigkeit führenden Werkstofftrennung verbunden ist.

Literaturhinweise

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• Vesely, P., Kotter, I., Lach, R., Nezbedova, E., Hutar, P., Grellmann, W.: Mechanical and Fracture Behaviour of Plastic Pipes with and without Butt-Welded Joints. 12. Tagung "Problemseminar Deformation und Bruchverhalten von Kunststoffen", 24.–26. Juni 2009, Merseburg, Tagungsband CD-ROM (ISBN 978-3-86829-170-4), S. 395–400
• Bierögel, C., Grellmann, W., Fahnert, T., Lach, R.: Laserextensometrie – Charakterisierung von Schweiß- und Bindenähten an Kunststoffen. In: Borsutzki, M., Geisler, S.: Fortschritte der Kennwertermittlung für Forschung und Praxis, Tagung Werkstoffprüfung, 07. und 08. Dezember 2006, Bad Neuenahr, Tagungsband, (ISBN 978-3-514-00734-5) S. 433–438
• Kotter, I., Langer, B., Bierögel, C., Grellmann, W.: Technische Kunststoffdiagnostik – Schadensanalyse an Kunststoffbauteilen. In: Pohl, M.: Konstruktion, Qualitätssicherung und Schadensanalyse, Tagung Werkstoffprüfung 2007, 29. und 30. November 2007, Neu-Ulm, Tagungsband Nr. 298, S. 273–278
• Kotter, I., Langer, B., Bierögel, C., Grellmann, W.: Technische Polymerdiagnostik – Beispiele zur Schadensanalyse an Kunststoffbauteilen. 11. Tagung Problemseminar: Deformation und Bruchverhalten von Kunststoffen, 20.–22.06.2007, Merseburg, Tagungsband (CD-ROM), S. 47–53
• Kotter, I., Grellmann, W.: Schadensanalyse an Kunststoffprodukten – Beispiele aus der Praxis. In: Borsutzki, M. und Moginger, G. (Hrsg): Fortschritte in der Werkstoffprüfung für Forschung und Praxis. Tagung Werkstoffprüfung 2012, 06. bis 07. Dezember 2012, Bad Neuenahr, Tagungsband S. 317–322, (ISBN 978-3-514-00794-9)
• Kotter, I., Grellmann, W.: Failure Analysis of Thermoplastics Products – Practical Examples. 15th International Conference "Polymeric Materials", Halle/Saale, September 12–14, 2012 proceedings (CD-ROM), P 37, p. 1–10
• Kotter, I., Grellmann, W.: Failure Analysis of Thermoplastics Products – Practical Examples. 14. Problemseminar "Deformation und Bruchverhalten von Kunststoffen" 25.–27. Juni 2014, Merseburg, Tagungsband S. 545–555 (ISBN 978-3-942703-30-7)
• Kotter, I., Grellmann, W.: Die Fraktographie als Hilfsmittel in der Schadensanalyse – Möglichkeiten und Grenzen. 14. Problemseminar "Deformation und Bruchverhalten von Kunststoffen", Merseburg, 25.–27. Juni 2014, Merseburg, Tagungsband S. 18–26 (ISBN 978-3-942703-30-7)
• Reincke, K.: Schadensanalyse an Elastomerbauteilen. In: Frenz, H., Langer, J. B. (Hrsg.): Fortschritte in der Werkstoffprüfung für Forschung und Praxis. Prüftechnik – Kennwertermittlung – Schadensvermeidung, (ISBN 978-3-9814516-7-2; siehe AMK-Büchersammlung unter A 20), Tagungsband "Werkstoffprüfung 2017" 30.11./01.12.2017 Berlin, S. 17–22

Siehe auch

• Faserverstärkte Kunststoffe
• Bruch
• Brucharten
• Bruchentstehung
• Ermüdung
• Sprödbruchfördernde Faktoren
• Schadensanalyse an Kunststoffprodukten, VDI-Richtlinie 3822
• Deformationsmechanismen
• Kunststoffbauteil, Dimensionierung