Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWMSchadensanalysen an Keramik
Technische Keramiken werden im Allgemeinen dort eingesetzt, wo andere Konstruktionswerkstoffe wie Metalle und Kunststoffe aufgrund der Einsatzbedingungen ihre Grenzen erreichen. Diese Szenarien betreffen speziell mechanisch hochbelastete Anwendungen unter hohen Temperaturen und/oder in aggressiven Medien. Keramische Werkstoffe sind jedoch im Vergleich zu Polymeren und Metallen deutlich härter und spröder, weshalb sie auch eine geringere Toleranz gegen Beschädigung aufweisen. Aus diesem Grund führt ein Schadensfall bei keramischen Bauteilen häufig zu einem vollständigen Ausfall der Komponente. Eine umfassende Ursachenanalyse kann dazu beitragen, zukünftigen Ausfällen vorzubeugen – oder durch entsprechende Werkstoff- und Bauteilprüfung bereits im Vorfeld Risikofaktoren zu minimieren.
Die Ursachen für das Versagen sind in allen Werkstoffgruppen vielfältig und meist auf eine Überlagerung von Belastungen zurückzuführen. Allerdings sind diese Ursachen für die unterschiedlichen Werkstoffe entsprechend zu gewichten. Bei der Bewertung von Keramikbauteilen und deren Versagensursache liegen besondere Schwerpunkte auf:
- Sinterfehler im Gefüge wie Agglomerate, Poren
- Oberflächendefekte infolge der Bearbeitung wie Risse, Kornausbrüche
- Langzeitschäden durch zyklische Belastung wie Oberflächenzerrüttung, Ermüdungsrisswachstum
- Chemische und thermische Degradation wie Phasenumwandlung in ZrO2, Oxidation von Nichtoxidkeramiken
Methoden
Für die Bewertung eines Schadensfalles ist die möglichst genaue Kenntnis der Einsatzbedingungen eine zwingende Voraussetzung. Dies ermöglicht sowohl das Berücksichtigen als auch das Ausschließen bestimmter Ursachen, und führt somit zu einer schnelleren Aufklärung des Schadensfalles.
Methodisch stehen für die Untersuchung der Schadensfälle am Fraunhofer IWM die klassischen Instrumente der Lichtmikroskopie und Keramographie zur Verfügung, so dass Bruchflächen und auch Schliffbilder von Werkstoffproben untersucht werden können. Zu weiterführenden Untersuchungen dient die hochauflösende Rasterelektronenmikroskopie mit angeschlossener Elementaranalyse. Mit diesen technischen Mitteln lassen sich sowohl strukturelle als auch chemische Auffälligkeiten im Bereich der zuvor eingegrenzten Bereiche des Versagensursprungs analysieren. Ein weiteres hilfreiches Werkzeug für die Analyse keramischer Werkstoffe hinsichtlich chemischer Veränderungen, ungünstiger Eigenspannungszustände sowie Phasenumwandlungen ist die Mikro-Raman-Spektroskopie. Mit dieser Methode lassen sich mit µm-genauer Auflösung großflächige Probenbereiche scannen, um mögliche Unregelmäßigkeiten zu identifizieren, die über die mikroskopischen Methoden nicht erfasst werden können.
Das Fraunhofer IWM bietet über die Ursachenaufklärung an beschädigten Bauteilen hinaus vielfältige Möglichkeiten, die Einsatzbelastungen von Bauteilen nachzustellen und in Modellversuchen unterschiedliche Einflussfaktoren separat zu betrachten. Dies ermöglicht insbesondere bei hochkomplexen Belastungsszenarien eine gezielte Rückverfolgung typischer Versagensmuster. Eine spezifische Bauteilprüfung in Kombination mit der umfassenden und detaillierten Bauteil- und Schadensanalyse erlaubt somit die zielgerichtete Aufklärung Ihres Schadensfalls – oder diesem vorzubeugen.