Wenn Metalle wegen Ermüdung brechen
PLÖTZLICH, ohne jede Vorwarnung, forderten auf dem Hubschrauber-Landeplatz des 59stöckigen Pan-Am-Gebäudes (Manhattan, New York) Tod und Vernichtung ihren Tribut. Während die Passagiere an Bord eines Hubschraubers gingen, der zum internationalen Flughafen John F. Kennedy fliegen sollte, kippte er um. In Sekundenschnelle wurden von den Rotoren, die wie riesige Säbel wirkten, vier Passagiere zerfetzt. Drei starben auf der Stelle und der vierte im Krankenhaus. Die Rotorblätter zerbrachen in Stücke, die in weiten Umkreis geschleudert wurden. Einige Teile fielen auf die Madison Avenue: Eine Frau wurde getötet und eine andere verletzt. Was war die Ursache für diese Katastrophe? Ein Bericht über eine vorläufige Untersuchung läßt vermuten, daß Metallermüdung (Metallzerrüttung) im Spiel war.
Betrachten wir einen anderen Unfall, der sich neulich ereignete. Zwei Frauen fuhren auf der schönen Überseeautobahn über die Florida Keys. Plötzlich lenkte ihr Auto quer über die Fahrbahn und fiel ins Meer. Glücklicherweise waren ein Taucher und ein Arzt in der Nähe, und die Frauen konnten gerettet werden. Versagt hatte ein Teil im Lenkgetriebe des Autos. Wieso? Eine oberflächliche Untersuchung offenbarte die verräterischen Kennzeichen von Metallermüdung.
Die New Yorker Hubschraubertragödie, der berühmte Zusammenbruch der Silver Bridge und das mysteriöse Verschwinden der ersten britischen Comets (Düsenverkehrsflugzeuge) über dem Mittelmeer — alle diese Unfälle hat man mit Metallermüdung in Verbindung gebracht.
So wie der Krebs beim Menschen dürften die Ermüdungsschäden bei Metallen nicht so folgenschwer sein, wenn man sie rechtzeitig entdeckte. Wie beim Krebs sind auch hier die Heilmethoden oft schwierig und manchmal unsicher. Unglücklicherweise sind die kennzeichnenden Merkmale häufig durch den Unfall unkenntlich gemacht. Aber noch öfter bleiben sie deshalb unbemerkt, weil es bei den Untersuchungen an besonders geschulten Prüfern fehlt.
Vom Gefüge der Metalle
Um zu verstehen, warum Metalle ermüden können, müssen wir uns mit ihrem Gefüge beschäftigen. Seit der Zeit Tubal-Kains — des ersten Metallbearbeiters, von dem die Geschichte berichtet — hatte man bis vor einiger Zeit noch keine befriedigende Erklärung für die Ermüdung dieser Stoffe gefunden (1. Mose 4:22). Erst in jüngster Vergangenheit hat man über den grundlegenden Aufbau der Metalle genügend Kenntnisse gewonnen, um eine plausible Erklärung geben zu können. Wenn eine Blattfeder oder Achse bricht, hört man sogar heute noch Leute sagen, das Teil sei kristallisiert. Das kann jedoch nicht die Ursache für das Versagen gewesen sein, da das Material bereits vor dem Versagen kristallisiert war.
Wenn geschmolzene Metalle sich abkühlen und erstarren, beginnen sich winzige Kristalle zu bilden. Sie nehmen an Größe und Zahl zu, bis die gesamte Masse kristallisiert ist. Allerdings sind, außer bei besonders reinen Materialien, gewöhnlich Bestandteile vorhanden, die nicht in die normale Kristallstruktur passen. Einige dieser Substanzen werden verdrängt und lagern sich schließlich zwischen den Kristalliten oder Körnern an den sogenannten „Korngrenzen“ an. Andere Materialien hingegen bleiben in irgendeiner Form im Gefüge verteilt. Die festen Teilchen bezeichnet man als „Einschlüsse“. Es können sogar Löcher oder Lunker zurückbleiben. Von einem Metall, das auf diese Weise abgekühlt ist, sagt man, es habe „Gußgefüge“. Obwohl das Metall in dieser Form verwendet werden könnte, wird es häufig noch auf irgendeine Weise weiterverarbeitet. Das kann einen oder mehrere der folgenden Vorgänge einschließen: Schmieden, Walzen, Gesenkschmieden, spanabhebende Verarbeitung und/oder Polieren. Diese Schritte bilden manchmal nur den Anfang, da häufig viele Arbeitsgänge erforderlich sind. Jeder Schritt kann und wird gewöhnlich auch die Dauerfestigkeit des Materials beeinflussen.
Wie eine Metallzerrüttung ihren Anfang nehmen kann
Gewöhnlich kann man einen einfachen Metallstab, den man von den Enden her auf Zug beansprucht, mindestens einmal fast bis zur erwarteten Festigkeitsgrenze belasten. Wird er allerdings wiederholt Zugkräften ausgesetzt, die so groß sind, daß Daueranrisse entstehen können, dann bleibt vielleicht nur noch ein Teil der ursprünglichen Festigkeit bestehen, und fortgesetzte Belastungen werden eventuell zum Bruch führen. Die Ursache für diese verringerte Belastungsfähigkeit ist teilweise in der grundlegenden Natur des Metallgefüges zu suchen. Bei wechselnder Belastung können in einigen Kristalliten Schub- oder Scherversetzungen auftreten, so daß eine Atomgitterebene auf einer anderen abgleitet. Bestimmte Kristallflächen bieten solchen Verschiebungen weniger Widerstand als andere. Man kann sie mit winzigen Stapeln von Spielkarten vergleichen, die vorzugsweise in einer bestimmten Ebene gleiten. Gewöhnlich sind die Kristallite in einer wahllosen Anordnung orientiert, und die erste Verschiebung kann durch eine Unregelmäßigkeit im Atomgitter ausgelöst werden. Eine derartige Unregelmäßigkeit könnte durch einen Einschluß, einen Hohlraum oder eine anderweitig verursachte Spannungsanhäufung entstehen, die die Scherfestigkeit überschreitet. Schwingende Belastungen bewirken eine Häufung dieser Verschiebungen oder Verlagerungen. Das geht so weiter, bis der Kristallit zerbricht. Durch den Bruch werden auch benachbarte Kristallite verformt, und dieser Vorgang hält an, bis sich ein Spalt oder Riß bildet. Der Riß oder die Risse werden immer größer, das Metallteil kann der Belastung nicht mehr standhalten, und die Folge ist ein Ermüdungsbruch (Dauerbruch).
Die Ermüdung (Zerrüttung) kann auch andere Ursachen haben. Beispielsweise können an den Korngrenzen winzige Risse ihren Ausgang nehmen. Die Vergrößerung der Risse wird vielleicht durch chemische Einflüsse beschleunigt. Es gibt also verschiedenartige Ursachen für die Ermüdung, obwohl noch viel zu erforschen ist. Jedenfalls besteht das Endergebnis darin, daß das Metallgefüge während der Belastung durch das Erweitern winziger Risse zunehmend geschwächt wird.
Wie man einen Dauerbruch erkennen kann
Obwohl in einigen Fällen beträchtlich viel Erfahrung nötig ist, um einen Dauerbruch als Ursache eines Versagens erkennen zu können, gibt es bestimmte allgemeine Merkmale, die hilfreich sein können. Man stimmt darin überein, daß die Zerrüttung ein fortschreitender Prozeß ist. Die Erweiterung von Rissen verläuft gewöhnlich stufenweise. Diesen stoßweisen Verlauf kann man manchmal an den hinterbliebenen Spuren auf den Bruchflächen des gebrochenen Teils „ablesen“. Die Spuren ähneln oft unregelmäßigen konzentrischen Halbkreisen. Der Ursprung des Versagens liegt im Mittelpunkt der Halbkreise. Zeigen die Bruchflächen dieses „Austernschalenmuster“, dann ist wahrscheinlich Ermüdung die Ursache.
Dauerbrüche und Konstruktionsfehler
Mit dem Beginn der industriellen Revolution kam der Bau starker Dampfmaschinen und Lokomotiven ins Rollen. Einige mechanische Teile gingen zu Bruch, ohne daß man das damals erklären konnte. August Wöhler (Deutschland) war einer der ersten, die Ermüdung als Ursache des Versagens erkannten und Aufzeichnungen über Untersuchungen führten. Er ging sogar noch weiter und demonstrierte Brüche, wozu er Probekörper aus dem Werkstoff von Lokomotivenachsen verwendete. Obwohl die Erscheinung der Metallzerrüttung nun erkannt war, wurde sie dem Durchschnittsbürger erst im Ersten Weltkrieg und zur Zeit der ersten Automobile bewußt. Bei den damaligen Autos waren Dauerbrüche von Kurbelwellen, Achsen und Federn nichts Ungewöhnliches.
Im Zweiten Weltkrieg beschäftigte man sich noch eingehender mit dem Problem der Ermüdung von Metallen. Der weitverbreitete Einsatz von Flugzeugen lenkte die Aufmerksamkeit auf die Widerstandsfähigkeit, das Gewicht und die Dauerfestigkeit von Maschinenteilen. Heute werden bei dem vermehrten Einsatz von Maschinen, einschließlich Hubschraubern, noch höhere Forderungen an Konstruktion und Zuverlässigkeit gestellt. Behörden und Firmen befassen sich mit dem Problem eingehend. Man hat ausgeklügelte Meßgeräte und -methoden entwickelt, die nun im Einsatz sind, um Konstruktionen und Prototypen zu überprüfen.
Zudem führen all diese Bemühungen dahin, daß technische Handbücher und Tabellenwerke dem jeweiligen Stand gesicherter Erkenntnisse angepaßt werden. Diese Handbücher geben unter anderem die Grenzen der Dauerbeanspruchung von Werkstoffen an, so daß man sie mit ausreichender Sicherheit verwenden kann. Man spricht von „Dauerschwingfestigkeit“ und „wahrscheinlicher Lebensdauer“. Aus der beigefügten Zeichnung ist eine einfache Darstellung, die „Wöhler-Kurve“, ersichtlich. Das Problem scheint mit Hilfe dieser Informationen im wesentlichen gelöst zu sein. Das Motto heißt: „Bewege dich innerhalb der Sicherheitsgrenzen, und schon bist du der Sorgen mit den Dauerbrüchen enthoben!“
Unglücklicherweise decken jedoch die angegebenen Daten und Informationen nicht sämtliche Betriebsbedingungen ab. Die Vielfalt der Beanspruchung, der ein Metallteil in der Praxis unterworfen ist, können wir nicht immer genau voraussagen. Die Bedingungen sind oft verwickelt, da Zug-, Druck- und Schubkräfte kombiniert auftreten können. Auch ist es wichtig zu wissen, wie starke und schwache Belastungen aufeinanderfolgen, wenn man die wahrscheinliche Lebensdauer abschätzen möchte. Ein Großteil der Informationen gründet sich auf Tests an „glatten“ Probekörpern. Es sind Werkstoffproben, die keine Stellen mit Spannungsspitzen aufweisen wie Löcher, Kerben, Nieten oder Schweißnähte. Derartige Unstetigkeiten mindern im allgemeinen die Dauerfestigkeit. Selbst bei glatten Werkstoffproben gibt es praktisch unbegrenzte Qualitätsunterschiede. So erschweren Abweichungen in der Korngröße, der Anzahl und Art der Einschlüsse, der Härte und Eigenspannung die Konstruktion und Herstellung.
Probleme der Konstruktion und Herstellung lösen
Viele der heute auf dem Markt angebotenen Maschinen und Geräte wurden in der Erwartung konstruiert und hergestellt, daß einige Teile im Laufe der Zeit versagen werden. Man hat beispielsweise bestimmte Autoteile für eine Lebensdauer von ungefähr 150 000 Kilometern ausgelegt. Bis dahin könnte die Polsterung verschlissen, die Karosserie verrostet und beschädigt sein. Bei Flugzeugteilen dagegen steht dem Ermüdungsproblem noch das Gewichtsproblem gegenüber. Für die Konstruktion dürfte es vorteilhaft sein, wenn man mehr Material verwendete. Dann kann aber aufgrund des zusätzlichen Gewichts nicht soviel Kraftstoff und gewinnbringende Ladung transportiert werden.
Wenn von einer Maschine die Sicherheit des Lebens und des Eigentums abhängt, dann ist es oberstes Gebot, daß schwere Unfälle möglichst vermieden werden. Aus diesen Überlegungen erwuchsen zwei Entwurfsphilosophien der Konstruktionstechnik — das Konzept der Ausfallsicherheit und das der sicheren Lebensdauer.
Beim Konzept der Ausfallsicherheit werden mehrere Teile parallel zueinander verwendet, um eine bestimmte Belastung aufzunehmen. Versagt also ein Teil, dann können die anderen noch so lange der Belastung standhalten, bis Reparaturen möglich sind. Andererseits kann man Ausfallsicherheit auch erreichen, indem man möglichen Bruchstellen vorbeugt. Das Teil wird dann stellenweise dicker ausgeführt, um die Spannung zu mindern. Möglicherweise konstruiert man eine stabile Versteifung, auf die die Belastung übertragen wird. Bei ausfallsicheren Konstruktionen spielen Inspektionen eine wichtige Rolle.
Oft ist es nicht möglich, nach dem Prinzip der Ausfallsicherheit zu konstruieren. Achswellen oder Zahnräder lassen sich kaum aus mehreren parallelen lasttragenden Einzelteilen herstellen. Solche Teile müssen nach dem Konzept der sicheren Lebensdauer gebaut werden. Man legt sie so aus, daß sie gegen Beschädigungen widerstandsfähig sind, und unterzieht sie harten Tests. Man muß sowohl bei der Herstellung als auch bei der Montage solcher Teile besondere Sorgfalt walten lassen.
Manchmal greift man auf beides, auf das Konzept der Ausfallsicherheit und auf das der sicheren Lebensdauer, zurück. Hier sind Inspektionen ebenfalls wichtig, sofern sie sich durchführen lassen. Das Teil, das bei dem Hubschrauber auf dem Pan-Am-Gebäude versagte, sollte nach 9 900 Betriebsstunden inspiziert werden. Nach einem Bericht waren jedoch erst 7 000 Betriebsstunden verstrichen. Also kann ein Unglück auch dann eintreten, wenn die Zeitabstände zwischen den vorgeschriebenen Inspektionen zu groß sind.
Besondere Schutzmaßnahmen
Manchmal kann man besondere Verfahren anwenden, um Unfällen vorzubeugen, die durch Dauerbrüche entstehen. Man greift aber nicht immer darauf zurück, weil sie entweder nicht zu verwirklichen sind oder zusätzliche Kosten verursachen oder weil es an entsprechenden Fachkenntnissen und Produktionseinrichtungen fehlt. Zudem verfügt man über bestimmte Möglichkeiten, Brüche vorauszusagen.
Eine wichtige Maßnahme, die sich oft anbietet, ist das Kugel- oder Sandstrahlen. Dadurch erhält das Teil so etwas wie eine verdichtete Außenhaut. Da Ermüdungsbrüche im allgemeinen dann entstehen, wenn das Teil wiederholt der maximal zulässigen Zugbelastung ausgesetzt wird, gewährleistet dieses Verfahren, daß wenigstens die Oberfläche des Teils unter Druck bleibt.
Ein anderes Verfahren wird manchmal als „Selbstschrumpfung“ bezeichnet. Man wendet es bei Schußwaffen an, aber es gibt noch viele weitere Anwendungsbereiche. Dabei wird das betreffende Teil überdehnt, so daß bestimmte Zonen, deren Spannung überhöht ist, bleibend nachgeben. Läßt man mit der Belastung nach, dann ziehen sich diese Zonen zusammen. Die so verdichteten Zonen bieten einen Schutz, da sie die bei normalem Betrieb entstehende Spannung verringern.
Das Teil vor der Inbetriebnahme zu überdehnen kann auch andere Vorteile haben, vor allem wenn es mit einer bestimmten Art von Befestigungselementen versehen ist. Betrachten wir genietete Verbindungsstellen als ein Beispiel. Da die Löcher zweier zu verbindender Teile nie deckungsgleich sind, müssen einige Nieten die Hauptlast tragen. Setzt man jedoch die Verbindung einer Überbelastung aus, dann geben die stark beanspruchten Zonen nach, so daß die Belastung verteilt wird.
Um Ermüdungsbrüche zu vermeiden, gibt es noch andere Möglichkeiten, die gewöhnlich ganz nützlich sind. Beispielsweise kann man nach dem Schweißen „spannungsentlasten“ oder Löcher und Vertiefungen auspolieren, um Spannungsanhäufungen zu mindern.
Was kannst du tun?
Obwohl Konstrukteur und Hersteller vielleicht viel unternommen haben, um einem Versagen vorzubeugen, kannst auch du noch manches tun. Hier sind einige Hinweise:
1. Halte beim Betrieb die empfohlenen Belastungs-, Geschwindigkeits- und Drehzahlgrenzen ein.
2. Hinterlasse beim Reparieren — zumindest an kritischen Teilen — keine tiefen Kratzer, Kerben oder Markierungen.
3. Vermeide Überhitzung, da dadurch die Härte des Metalls beeinträchtigt und die Dauerfestigkeit verringert werden kann.
4. Schütze das Metall vor Rost und Beschädigungen.
5. Halte von beweglichen Teilen bestimmte Chemikalien fern, z. B. Säuren. Andernfalls könnte in einige Metalle atomarer Wasserstoff eindringen, wodurch das Brüchigwerden und vorzeitige Versagen eines Teils begünstigt würde. Chemikalien können auch „Spannungsrißkorrosion“ hervorrufen.
Unfälle wegen Metallermüdung
Könnten Unfälle, die durch Ermüdungsbrüche entstehen, vermieden werden? Ja, eventuell.
Unfälle werden gewöhnlich durch irgendeine Art der Selbstsucht, der Unwissenheit oder Fahrlässigkeit verursacht. Manchmal sind wir wegen verschiedener Mißstände der Gefahr von Ermüdungsbrüchen ausgeliefert: übermäßiges Profitstreben, unzureichende Kenntnisse konstruktiver Erfordernisse und Fahrlässigkeit von seiten des Herstellers oder des Kunden. Allerdings steht ein neues System der Dinge kurz bevor. Wie der Schöpfer des Menschen versprochen hat, werden in diesem System alle Arten der Selbstsucht beseitigt sein. Man wird dann auch auf dem Gebiet der Konstruktion mehr Kenntnisse haben. Dann werden sowohl Hersteller als auch Bedienende an die Sicherheit aller Beteiligten denken.
[Übersicht auf Seite 19]
(Genaue Textanordnung in der gedruckten Ausgabe)
Maximale Spannung in N/mm2
Bruch zu erwarten
„wahrscheinliche“ Lebensdauer
Bereich des sicheren Betriebs
500 000
1 000 000
Anzahl der Lastwechsel bis zum Bruch
Eine Möglichkeit, Daten über Ermüdungsverhalten darzustellen
[Bild auf Seite 19]
„AUSTERNSCHALENMUSTER“