Schadensanalyse 2012 - 2013 - Vorlesung 9 [Kompatibilitätsmodus]

SCHADENSANALYSE GEFÜGTER BAUTEILE 

Hon.-Prof. Dr.-Ing. Thomas Böllinghaus 

Bundesanstalt für Materialforschung und –prüfung 

Unter den Eichen 87 

D-12205 Berlin 

Tel.: +49-30-8104-1020 

Fax: +49-30-8104-1027 

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web: www.bam.de 

INSTITUT INSTITUT FÜR FÜR WERKSTOFF 

WERKSTOFF- WERKSTOFF 

WERKSTOFF- WERKSTOFF UND UND UND FÜGETECHNIK 

FÜGETECHNIK 

FÜGETECHNIK 

Hon. Hon.-Professur Hon. Hon.-Professur Hon. Professur Professur Professur Professur Professur Schadensanalyse Schadensanalyse Schadensanalyse Schadensanalyse Schadensanalyse Schadensanalyse und und und Schadensprävention 

Schadensprävention 

Schadensprävention 

Otto Otto-von Otto Otto-von Otto von von-Guericke 

von von-Guericke 

von Guericke Guericke-Universität Guericke Guericke-Universität Guericke Universität Universität Magdeburg 

Magdeburg 

Magdeburg 

Universitätsplatz Universitätsplatz 2 

2 

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Magdeburg 

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iwf@uni magdeburg.de 

magdeburg.de 

OTTO-VON-GUERICKE-UNIVERSITÄT MAGDEBURG 

Institut für Werkstoff- und Fügetechnik

Übersicht: Vorlesungsthemen II – WS 2012/2013 SWS: 2V/1Ü 

Vorlesung Vorlesung Schwerpunkte 

8 (2h) 

16. 11. 12 

9 (2h) 

30. 11. 12 

11 (2h) 

30. 11. 12 

12 (2h) 

14. 12. 12 

13 (2h) 

14. 12. 12 

14 (2h) 

18. 01. 13 

Betrieb gefügter Bauteile I – Einführung in typische Brucharten und –topographien 

Betrieb gefügter Bauteile II – Gewalt- und Schwingbruch von Schweißverbindungen, 

betriebssichere Auslegung von dynamisch-mechanisch beanspruchten Komponenten 

Betrieb gefügter Bauteile VI – Spezifische Korrosionsschäden an gefügten Bauteilen ohne 

mechanische Beanspruchung (Lochkorrosion, Spaltkorrosion) 

Betrieb gefügter Bauteile VIII - Spezifische Korrosionsschäden an gefügten Bauteilen mit 

mechanischer Beanspruchung (Spannungsrisskorrosion, Schwingungsrisskorrosion) 

Betrieb gefügter Bauteile IX – Spezielle Versagensmechanismen: 

(Hydrogen Assisted Cracking und Liquid Metal Embrittlement) 

Prüfung und Schadensvermeidung an gefügten Bauteilen 

(Online-Monitoring, Insitu-Untersuchungen, Bauteiltransfer, Simulationsversuche, 

Simulationsrechnungen) 

15 (2h) 

18. 01. 13 Wiederholung 

und Zusammenfassung 

2 

INSTITUT FÜR WERKSTOFF- UND FÜGETECHNIK 

Lehrstuhl Fügetechnik

Schadensanalyse gefügter Bauteile 

Vorlesung 9 

Betrieb gefügter Bauteile II – 

Gewaltbruch und Schwingbruch von Schweißverbindungen – 

Entstehung, Erkennung, Vermeidung 

Prinzipielle Vorgehensweise für die betriebssichere Auslegung von 

dynamisch-mechanisch beanspruchten Komponenten 

bearb eitet von: 

Dr.-Ing. Th. Böllinghaus 

VP u. Prof. 

3

GEWALTBRUCH UND SCHWINGBRUCH - PRINZIPIELLES 

Spröder Bruch: Wo liegt die Schadensursache – Hersteller oder Betreiber ? 

Duktiler Bruch: Wo liegt die Schadensursache – Hersteller oder Betreiber ? 

Berechnung 

Zuverlässige 

Auslegung 

Experimentelle 

Verifikation 

Betriebserfahrungen 

Zusammenwirken von Wissen für eine zuverlässige Auslegung von Bauteilen

I. GEWALTBRUCH 

�� Gewaltbruch – Beanspruchungsart mechanisch statisch 

�� Prinzipiell zwei Arten 

�� Duktiler Gewaltbruch: 

Scherzonen, Abgleiten unter 45 °in Richtung der maximalen Schubspannungen, 

Bruchoberfläche matt, >Dimples


�� Gewaltbruch: Zuordnung von Bruchausbildung und Beanspruchungsrichtung 

© Broichhausen: Schadenskunde


�� Gewaltbruch – Sprödbruch 

�� Transkistalline Rissinitiierung bei Spaltbrüchen 

a) Aufstau (pile-up) von Stufenversetzungen an einer Korngrenze, 

b) Auflaufen eines Gleitbandes auf einem Zwilling, 

c) Aufreißen von Ausscheidungen an den Korngrenzen, 

d) Kreuzen von Gleitbändern 

�� Interkristalline Rissinitiierung bei Spaltbrüchen 

© Bild 9.41: Schatt/Worch 

© Bild 9.40: Schatt/Worch 

Entstehen 

transkristalliner 

Spaltrisse 

Entstehen 

interkristalliner 

Spaltrisse an Korngrenzentripelpunkten



�� Anrissbildung durch Versetzungstätigkeit (trans- und/oder interkristallin): 

- (Stufen-)Versetzungen sind im Kristall zusätzlich eingefügte Atomhalbebenen 

- Anriss entsteht durch lokale Überschreitung der theoretischen Festigkeit 

- Lokale Versetzungsbewegung bei Spannungen unterhalb der Streckgrenze 

- Aufstau von Versetzungen vor einem Hindernis (Einschluss, Korngrenze etc.) 

- Spannungskonzentration an der Spitze durch Schubspannungen in der 

Gleitebene und durch Zugspannungen senkrecht zur Ebene 

- Spannung steigt weiter 

- Benachbarte blockierte Versetzungen bilden einen Keil D = n⋅b 

- Transkristalliner Anriss durch Aufspaltung an den Ebenen AA´ und BB´ 

© Tetelman, McEviliy: 

Bruchverhalten technischer 

Werkstoffe 

Mikrorissbildung durch 

aufgestaute Stufenversetzungen



�� Rissfortschritt – Konzept der Spannungsintensität (Westergaard): 

- Spannungsfeld vor der Rissspitze: 

σi,j = K / ��(π ⋅ c) fi,j (Θ) 

mit r: Abstand vor der Rissspitze und Θ: Θ: Winkel zur Risspitze 

- Im Rissligament, also für Θ Θ = = 0 0 ergibt sich σy = K / ��(π ⋅ c) 

- Bruchkriterium der LEBM: 

Beginn eines zunächst ruhenden und sich dann sich instabil ausbreitenden 

Risses beim Erreichen eines kritischen Spannungsintensitätsfaktors 

- Kritische Spannungsintensität ist eine Werkstoffkenngröße, die 

experimentell bestimmt werden kann – je nach Bruchmodus



�� Rissfortschritt – Konzept der Spannungsintensität (Westergaard): 

- Ebener Spannungszustand: 

Scherbruch mit Scherlippen als Maß für die Duktilitätsreserve 

tritt in Bauteilen geringerer Dicke auf, die gegenüber der Risszone eine hohe 

Umgebungssteifigkeit haben 

- Ebener Dehnungszustand: 

Trennbruch 

tritt bei Verformungsbehinderung aufgrund dickwandiger Bauteile 

in Querrichtung auf



�� Rissfortschritt – Theorie nach Griffith und Irwin I: 

- Bedingungen für die Ausbreitung eines elliptischen, elastischen Risses 

- Zunächst: Gültigkeit nur für vollständig spröde und elastische Festkörper 

- Keine plastische Dehnung an der Rissspitze (einfachster Fall) 

- Platte mit idealplastischem Werkstoff, die einen atomar scharf 

ausgebildeten Riss der Länge 2c enthält 

- Rissausbreitung wird anhand einer Energiebilanz formuliert 

- Vergrößerung eines Risses erfordert also einen bestimmten Energiebetrag, 

der als Arbeitsleistung durch eine einwirkende Kraft oder durch die 

Freisetzung einer vorher im Bauteil vorhandenen Verformungsenergie 

bereitgestellt wird 

- Überschreitet die Rissausbreitungskraft die Zähigkeit (Risswiderstandskraft) 

des Werkstoffes, kommt es zu einem Rissfortschritt 

- Griffith: Wenn die inkrementale Abnahme der gespeicherten elastischen 

Dehnungsenergie (bzw. die inkrementale Zunahme der einwirkenden 

Arbeitsleistung) größer als die inkrementale Zunahme der Oberflächenenergie 

wird, die zur Schaffung neuer Rissoberfläche erforderlich ist, 

kommt es zu einem Rissfortschritt (Inkrement der Risslänge)



�� Rissfortschritt – Theorie nach Griffith und Irwin II: 

- Herleitung: Energiefreisetzungsrate bzw. Arbeitszunahme 

- Elastische Verlängerung ∆l einer Platte (Dicke 1) durch Kraft F 

- Beziehung: ∆l = C ⋅F 

- C: Reziproke Federkonstante = Nachgiebigkeit = f(l 0, E, 2c), 

wächst mit zunehmender Risslänge an 

- Gespeicherte Energie in der Platte bzw. einw. Arbeit (ohne Rissausbreitung): 

W e = ½ ⋅ F ⋅ ∆l = ½ ⋅ F 2 ⋅ C 

- Erhöhung dieser Energie für Rissverlängerung: dW e = ½ ⋅ F 2 ⋅ dC 

- Einführung der Energiefreisetzungsrate (Rate der Abnahme der gespeicherten 

Dehnungsenergie pro Risslänge): G = dW e / d(2c) = ½ ⋅ F 2 ⋅ dC/d(2c) 

- Energiefreisetzungsrate G ist die inkrementale (pro Rissfortschritt) Abnahme 

der gespeicherten elastischen Energie im Bauteil bzw. die Zunahme der 

Arbeitsleistung beispielsweise durch Erhöhung der einwirkenden Kraft, 

ihr kritischer Wert wird dann als G c bezeichnet 

- Zwischen Energiefreisetzungsrate und Spannungsintensitätsfaktor an der 

Rissspitze bestehen die Beziehungen: 

G = K 2 /E für den ebenen Spannungszustand und 

G = K 2 /E ⋅ (1 - ν 2 ) für den ebenen Dehnungszustand 

mit K = σ ⋅ ��(π ⋅ c) und Einführung einer kritischen Rissausbreitungskraft G c, 

die auch Risswiderstandskraft genannt wird, kann die kritische Spannung σ c 

sofort bestimmt werden



�� Rissfortschritt – Theorie nach Griffith und Irwin III: 

- Herleitung: Oberflächenenergie W S zur Schaffung neuer Oberflächen 

- Theoretische Trennfestigkeit: σ c = E/10 

- Oberflächenenergie: γ S = E ⋅ a 0/20 (a 0: Abstand der Atomebenen) 

- Energie zur Schaffung einer Rissoberfläche (2c, weil ja Rissoberfläche 

auf beiden Seiten gebildet wird): 

W S = 2 ⋅ 2 c ⋅ γ S 

- Inkrementale Zunahme pro Rissfortschritt: 

dW/dc = d(2 ⋅ 2 c ⋅ γ S)/dc



�� Rissfortschritt – Theorie nach Griffith und Irwin IV: 

- Herleitung: Kritische Spannung für den Rissfortschritt 

- Rissfortschritt tritt auf 

G = K 2 /E = (σ ⋅ √(π ⋅c)) 2 /E >= 

dW/dc = d(2 ⋅ 2 c ⋅ γ S)/dc 

σ kr = √(E⋅ 2 ⋅ γ S / π⋅c) 

σ kr = √(E/(1-ν²))⋅(2 ⋅ γ S / π⋅c) 

G C: Kritischer Wert der Risserweiterungskraft 

E: Elastitzitätsmodul 

2c: Risslänge 

ν: Querkontraktionszahl 

Energiefreisetzungsrate 

bzw. Zunahme der Arbeit 

>= 

Zunahme der 

Oberflächenenergie 

Kritische Spannung für den 

ebenen Spannungszustand 

Kritische Spannung 

für den ebenen 

Dehnungszustand 

© Blumenauer, Pusch: 

Technische Bruchmechanik 

Herleitung am besten in 

Tetelman, McEviliy: 

Bruchverhalten technischer 

Werkstoffe



�� Mikroskopische Bruchausbildung von Spaltbrüchen I: 

- trans- oder interkristalliner Verlauf 

- Bruchflächen liegen bei Normalspannungsbrüchen senkrecht zur 

Beanspruchungsrichtung (Hauptspannungen) - ebene, glatte Bruchoberfläche 

- vorausgegangen kann eine elastische oder eine plastische Verformung sein 

- üblicherweise glänzendes kristallines Aussehen 

- Sprödbrüche verlaufen in krz und hdp Gittern meist entlang 

kristallografischer Spaltebenen {100} oder {112} 

- Spaltbrüche verlaufen meist transkristallin 

- Überschreiten einer Korngrenze: Spaltbruch teilt sich wegen unterschiedlicher 

Orientierung der Körner meist in mehrere planparallele Spaltebenen auf 

Transkristalliner 

Verlauf 

eines Spaltbruches 

© Broichhausen: 

Schadenskunde 

Spaltebenen bei 

krz Werkstoffen 

und Umgehung 

eines Zwillings



�� Mikroskopische Bruchausbildung von Spaltbrüchen II 

Plastische Verformung 

an einer Korngrenze 


Schadenskunde 

Transkristalliner 

Verlauf 

eines 

Trennbruches 

Spaltbruch 

mit 

Flussmuster



�� Mikroskopische Bruchausbildung von Spaltbrüchen III 

- Risse breiten sich vielfach 

nach einem Flussmuster aus 

und bilden typische 

Flussdeltas 

- Rissentstehung kann 

anhand des Flussmusters 

oft erkannt werden 

(flussaufwärts gehen) 

Ausbildung eines 

Spaltfächers 


Schadenskunde



�� Mikroskopische Bruchausbildung 

von Spaltbrüchen IV 

Interkristalliner Mikroriss infolge 

Zwillingsbildung unter Druckbeanspruchung 


Schadenskunde 

Korngrenzenbrüche: 

a) Glatte Korngrenzen 

b) Korngrenzen mit 

Ausscheidungen




von Spaltbrüchen V 

Spaltbruch mit 

Spaltfacetten 

© Erscheinungsformen von Rissen und Brüchen in metallischen Werkstoffen 

Spaltbruch mit Spaltstufen 

und Spaltlinien an Korngrenze 

Zungen und Zwillingsstreifen 

In einer Spaltfläche




von Spaltbrüchen VI 

Spaltbruch in einem 

vergüteten Stahl 


Korngrenzenbruch mit 

aufgerauhten Korngrenzflächen 

Mit Spaltflächen durch- 

Setzte Korngrenzfläche



�� Quasi-Spaltbruch – H???? 

- Rosettenartiges Aussehen 

- erhebliche plastische Verformung 

bei der Entstehung 

- Entstehung vielfach in 

martensitischen Werkstoffen 

- Ausgang oft an einer kleinen Wabenansammlung 

in radialer Richtung 

- teilweise Ausbildung von Reisskämmen 

© Broichhausen: Schadenskunde 

K: Reisskämme 

Sch: Scherflächen 

St: Stufen 

Wa: Waben



�� Mikroskopische Bruchausbildung von Spaltbrüchen VII – Quasi Spaltbruch 

Wasserstoffunterstützter 

transkristalliner Bruch 

Wasserstoffunterstützter transkristalliner Riss 

Wasserstoffunterstützter transkristalliner Riss 

mit augefiederten Spaltflächen 

Flocke mit abgerundeten Risskanten



�� Mikroskopische 

Bruchausbildung 

von Spaltbrüchen VIII – 

Quasi Spaltbruch 


interkristalliner Riss 

mit Waben auf den 

Korngrenzflächen 


interkristalliner Riss mit 

transkristallinen und 

interkristallinen 

Spaltbruchanteilen 


Riss bei 

Schwingbeanspruchung mit 

Haarlinien auf den 

Schwingstreifen 

Wasserstoffunterstützter interkristalliner Riss mit 

Haarlinien auf den Korngrenzflächen



�� Mikroskopische Bruchausbildung von Spaltbrüchen IX 


Bruchfläche eines mit Wasserstoff beladenen 

Wälzlagerstahles 

(Massenanteil an Wasserstoff: 3,9ppm) 

Bruchfläche eines wasserstofffreien 

Wälzlagerstrahles 

(gleiche Wärmebehandlung wie im Bild links)


�� Gewaltbruch – Duktiler Bruch (= Gleitbruch) 

�� Ausbildung von geraden Waben durch gleichmäßige Zugspannung 

© Broichhausen: Schadenskunde 

Stahl 18 Ni 250 lösungsgeglüht


�� Gewaltbruch – duktiler Bruch 

�� Ausbildung der Waben abhängig vom Werkstoff 

Gleitlinien an den 

Wabenflanken – 

Zugprobe aus hochreinen Kupfer 


Wabenbruch bei einem 

vergüteten Stahl 

Wabenbruch bei einem 

martensitaushärtenden 

Stahl


�� Gewaltbruch – Duktiler Bruch 

�� Ausbildung von Hohlräumen und Waben an nichtmetallischen Einschlüssen 



�� Gewaltbruch – Duktiler Bruch = Gleitbruch 

a) Wabenbildung entlang von 45°- 

Scherflächen durch Bruch oder 

Ablösung von Partikeln 

einer zweiten Phase 

b) Zugehöriges Bruchbild, Schraffur 

deutet Abgleitungsvorgänge an 


Metallographischer Schliff 

durch eine Zugprobe 

Unmittelbar vor Eintritt 

des Bruches



�� Ausbildung von Scherwaben – Waben durch Schubspannungen 

Weicheisen 




�� Ausbildung von Scherwaben 

Trichterbruch – 

Zugprobe 

Scherbruch; abgescherte Schraube 

Scherbruch; Detail aus Bild links 

Schubspannungsbruch – 

Zugprobe 

Scherwaben; 

abgescherte Schraube 

© Erscheinungsformen von Rissen und Brüchen in metallischen Werkstoffen


�� Gewaltbruch – duktiler Bruch 

�� Mischung der Wabenformen 


Wabenbruch mit gleichachsigen 

Waben; 

Zugprobe-Trichterboden 

Trichterbruch – 

Zugprobe 

Schubwaden; 

Zugprobe-Trichterwand



�� Mischung der Wabenformen – Ausbildung von Waben durch Zug- und 

Schubspannungen im Biegeversuch einer Laserschweißnaht 

© Broichhausen: Dilthey


�� Mischung von sprödem und duktilem Bruch 

Spaltbruch mit plastischer 

Vorverformung – Zugprobe 

Fräserbruch – vergüteter Stahl 




Mischbruch mit Bruchverlaufslinien – 

Zugprobe 

Mischbruch mit Anriss und 

Restbruch 

Mischbruch mit Bruchverlaufslinien – 

Kerbschlagprobe 

Mischbruch mit kristallinem Fleck – 

Kerbschlagprobe 

© Erscheinungsformen von 

Rissen und 

Brüchen in 

metallischen Werkstoffen



Mischbruch aus Korngrenzenbruch und 

Wabenbruch – Kerbschlagprobe 

© Erscheinungsformen von 

Rissen und 

Brüchen in 

metallischen Werkstoffen 

Mischbruch aus Spaltbruch und interkristallinem 

Korngrenzenbruch – Zugprobe 

Mischbruch aus Spaltbruch und interkristallinem Mischbruch aus Wabenbruch, Spaltbruch und 

Korngrenzenbruch – gebrochene Welle interkristallinem Korngrenzenbruch – Zugprobe


�� Überlastungsriss (Gewaltbruch) infolge hoher Einspanngrade 

und zusätzlicher Verspannungen während der Fertigung © ASM Handbook Volume 11 

Failure Analysis and Prevention 

�� Schaden: Bruch einer Sektion 

eines Sky-Towers 

�� Bauteil: Ringsegment 

des Turmes 

�� Beanspruchung: Statisch 

thermo-mechanisch (überlagerte 

abkühlungsbedingte Reaktionsspannungen 

und überlagerte 

Spannungen durch Halter) 

�� Konstruktion: Große 

Verspannungen durch 

Halteklammern und hohe 

Einspanngrade 

�� Werkstoff: Kohlenstoffstahl 

ASTM A-36 mit hoher Übergangstemperatur 

�� Primärschaden: Überlastungsrisse 

�� Ursache: Nichtbeachtung von Einspannungen 

�� Schadensvermeidung: Optimierung der Einspannbedingungen und 

Wahl eines zäheren Werkstoffes mit niedrigerer Übergangstemperatur 

R Fy,1 

H 

L 

RFy,2 

H 

R Fy,3


�� Spannungsriss (Gewaltbruch) infolge ungenügender Nahtfüllung 

und Einpressung eines elliptischen Rohres 

�� Schaden: Bruch einer 

Zuführungsleitung 

�� Bauteil: Rohr-Flansch- 

Verbindungsstück 

�� Beanspruchung: Statischthermo-mechanisch 

(überlagerte 

abkühlungsbedingte Reaktionsund 

Zwängungsspannungen) 

�� Konstruktion: Zwängung des 

elliptischen Rohres 

�� Werkstoff: Kohlenstoffstähle mit 

unterschiedlichen Härteniveaus 

�� Primärschaden: Spannungsrisse 

ausgehend vom Wurzelspalt 

�� Ursache: mangelhafte 

Ausführung der Schweißnaht und des Nahtübergangs 

�� Schadensvermeidung: Optimierung der Nahtübergänge und 

Verwendung der Rundung angepasster Rohre 

© ASM Handbook 

Volume 11 

Failure Analysis 

and Prevention


�� Gewaltbruch infolge Kerben in einem Gewinde 


Schadenskunde 

�� Schaden: Bruch eines 

Gewindes 

�� Bauteil: Spindel eines 

Portalkranes mit ∅ 70 mm 

Gewindeansätzen 

�� Beanspruchung: 

Zugbeanspruchung 

�� Konstruktion: Scharfkantiges 

und unsauber geschnittenes 

Gewinde 

�� Werkstoff: Geseigerter Thomasstahl mit sehr niedriger Kerbschlagzähigkeit 

�� Primärschaden: Überlastungsriss infolge scharfer Kerben 

�� Ursache: mangelhafte Ausführung des Gewindes 

�� Schadensvermeidung: Optimierung der Querschnittsübergänge


�� Gewaltbruch infolge Kerben an einem Lasthaken 

�� Schaden: Bruch eines Lasthakens 

�� Bauteil: Lasthaken eines Kranes 


Zug- und Schubspannungen 

infolge Biegung 

�� Konstruktion: Scharfe Kanten an Kerben 

�� Werkstoff: Geseigerter Thomasstahl 

mit sehr niedriger Kerbschlagzähigkeit 

�� Primärschaden: Überlastungsriss 

bei Biegebeanspruchung 

�� Ursache: Kerben, die oftmals im Betrieb 

eingebracht werden und daher 

kontrolliert werden müssen 

�� Schadensvermeidung: Optimierung der 

Inspektionsintervalle und Wahl eines 

geeigneten Werkstoffes 


Schadenskunde


�� Gewaltbruch eines Schlägerkopfes einer Zerkleinerungsmaschine 

�� Schaden: Bruch eines 

Schlägerkopfes und Ausfall 

der Maschine 

�� Bauteil: Schlägerkopf 




�� Konstruktion: Scharfe 

Querschnittsübergänge 

�� Werkstoff: Spröder Stahl mit 

mit sehr niedriger 

Kerbschlagzähigkeit 

�� Primärschaden: Sprödbruch 

bei schlagartiger Beanspruchung 

�� Ursache: Konstruktionsfehler, 

Werkstoffauswahl und Bauteilherstellung 

ungünstig 


Querschnittsübergänge und anderer Werkstoff 


Schadenskunde


�� Gewaltbruch des Läufers einer Dampfturbine 

�� Schaden: Bruch des 

Läufers und Ausfall 

einer Dampfturbine 

�� Bauteil: Turbinenläufer 




�� Konstruktion: Teilweise 

abrupte Querschnittsübergänge 

�� Werkstoff: Spröder Stahl mit 

hohen Schwefel- und 

Phosphorgehalten 

sowie grobkörnigem Gefüge 


bei schlagartiger Beanspruchung 

�� Ursache: Gefüge sehr grobkörnig infolge falscher Glühbehandlung 

�� Schadensvermeidung: Optimierung der Glühbehandlung 


Schadenskunde


�� Gewaltbruch der Gelenkwelle eines Dieselmotors 


Schadenskunde 

�� Schaden: Bruch der 

gelenkwelle und Ausfall 

des Dieselmotors 

�� Bauteil: Gelenkwelle 

mit Vielnutsatz 


Überlagerte Zug- und 

Schubspannungen 

infolge Verdrehung 

�� Konstruktion: Scharfkantige 

Übergänge 

zwischen Nuten und 

Flanken 

�� Werkstoff: Stahl 


bei Verdrehbeanspruchung 

�� Ursache: Überlastung durch Kerbspannungen 

�� Schadensvermeidung: Optimierung der Konstruktion und des Werkstoffes


�� Gewaltbruch – 

Zeitstandbruch als besondere Form 

�� Kriechbeanspruchung 

- Bereich I: Primärkriechen mit 

Spontandehnung oder 

Belastungsdehnung, 

die aus einem elastischen und 

einem plastischen Anteil besteht 

- Übergangskriechen verursacht durch 

interkristalline Verformung und 

Verfestigung durch blockierende 

Versetzungen 

- Bereich II: Erholungs- und 

Rekristallisationsvorgänge, jedoch 

verminderte Verfestigung mit 

steigenden Temperaturen – 

Gleichgewicht der Vorgänge 

- Bereich III: Leerstellen infolge der Verformung – 

Spannungen nehmen infolge verkleinerter Querschnitte zu 

Kriechkurve (schematisch). 

I. primärer, 

II.sekundärer (=stationärer), 

III. tertiärer Kriechbereich


�� Entstehung und Erscheinungsformen von Kriechbrüchen 

Erscheinungsformen der Poren 

(Bruchmechanismus, schematisch) 

Porenwachstum bei Kriechtemperaturen 



�� Kriechbruch: Bruchtopographie 

Zeitstandproben mit Anrissen: 

in den Tripelpunkten und an den Korngrenzen 

Zeitstandbruch mit linienförmigen Hohlräumen und Korngrenzenporen 


Schadenskunde

II. SCHWINGBRUCH 

�� Typische Ausgangsstellen für Schwingrisse in Schweißnähten I 

© ASM Handbook Volume 11 


�� Schweißspritzer 

�� Einbrandkerben 

�� Wurzelspalte 

�� Nahtüberhöhungen und –durchhänge 

�� Fehlzündstellen © ASM Handbook Volume 11 


Poren und Schrumpfrisse 

in einer Fehlzündstelle 

Schwingriss ausgehend 

von einer Fehlzündstelle 

(AISI 410)


�� Schwingriss an einem Hydrophonstutzen der >Alexander Kjelland< 

© Lancaster: Engineering Catastrophies 

�� Auslegung als Bohrplattfrom mit Hydrophonen 

zur Ausrichtung der Plattform 

�� Klassifikation als Instrument ohne 

Spannungsberechnung 

�� Schaden: Untergang der Plattform nach 40 Monaten und 123 Todesopfer 

�� Bauteil: Horizontalstab D6 mit Hydrophonstutzten 

�� Beanspruchung: thermo-mechanisch durch die Ringnaht und später 

dynamisch-mechanisch in Dickenrichtung durch den Seegang 

�� Konstruktion: Stelle der höchsten Beanspruchung in den Anschlussnähten 

�� Werkstoff: Offshore-Stahl Grade A (Vorläufer des S 355) 

�� Primärschaden: Schwingriss ausgehend von der Nahtwurzel (6 und 12 Uhr) – 

Kollaps Säule D 

�� Ursache: mangelhafte Auslegung und Werkstoffauswahl 

(Stahl war anfällig für spröden Lamellenbruch senkrecht zur Walzrichtung) 

�� Schadensvermeidung: zähere Werkstoffe und Optimierung der Vorschriften


�� 27. März 1980 – Nordsee – Ekofisk Field 

� Trennung in schwerer See von der Produktionsplattform Edda 2/7 C 

�� Schlagartiges Versagen des Riss-Ligamentes in schwerer See 

�� Hohe dynamische Beanspruchung der übrigen Querträger der Säule D, die 

nicht so ausgelegt waren, dass sie ohne den Träger D6 standhalten konnten 

�� Versagen der Säule D6, Riss der Ankerleinen 

�� Kränken und anschließendes Sinken der Plattform in ca. 20 min 

�� Kollisionen und Kentern der Rettungsboote 

� 123 Todesopfer, 

Verlust der Plattform, 

Produktionsausfall für Monate 

© Lancaster: Engineering Catastrophies


Moderne Betriebsfestigkeit: 

- nicht mehr im Gaßner’schen Sinne 

nur als das Festigkeitsverhalten 

unter zeitlich veränderlichen 

zyklischen Betriebsbelastungen 

bzw. –beanspruchungen definiert. 

- bezieht auch die Interaktion mit 

weiteren Belastungsarten ein, 

wie Sonderbelastungen mit 

bleibenden Verformungen, die die 

bestimmungsgemäße Einsatzdauer 

nicht beeinträchtigen, Missbrauch, 

Kriechen und Verschleiß 

(mechanisch, thermisch, korrosiv, 

erosiv, tribologisch etc. etc. 

Einflussgrößen auf die Betriebsfestigkeit nach Sonsino 

Betriebsfeste Bemessung/Bewertung: 

- neben den klassischen Kennwerten der Wöhler- und Gaßnerlinien auch Kenntnis 

über: Formdehngrenze eines Bauteils, seines möglichen Bruchverhaltens 

unter schlagartiger Belastung (Missbrauch), des Kollektives, der anzusetzenden 

Schädigungshypothese zur Lebensdauerabschätzung und der geforderten 

rechnerischen Ausfallwahrscheinlichkeit


Sonderbelastung 

σ 

ε 

BETRIEBSFESTIGKEIT 

Überlasten Kriechbelastungen Verschleiß 

Schwingbelastungen 

Beulen/ 

Knicken 

Formdehngrenze 

Häufigkeit H 

Missbrauch 

Bruchkraft F 

Ref.: Ref.: V. Grubisic, C.M. Sonsino 

σ 

ε 

Schlagenergie 

Verformungsweg 

T 1 

T 2 > T 1 

-∆s 

t 

σ a 

ε a 

t 

Kurzzeitschwingfestigkeit 

N < 5 ·104 N < 5 ·104 N < 5 ·104 σ 

Einteilung der Betriebsfestigkeit (Sonsino) 

konstante Amplituden variable Amplituden 

Zeitfestigkeit „ Dauerfestigkeit“ deterministisch 

ε σ 

ε 

5 ·104 < N < 106 5 ·104 < N < 106 5 ·104 < N < 106 10 10 

109 108 107 106 105 104 103 102 10 10 

109 108 107 106 105 104 103 102 10 10 

109 108 107 106 105 104 103 102 10 10 

109 108 107 106 105 104 103 102 σ 

ε 

σ 

ε 

N > 104 N > 104 N > 104 N > 104 Wöhlerlinie 

Schwingspielzahl N, N 

stochastisch 

Gassnerlinie


Beanspruchungsabläufe an einzelnen Komponenten eines Fahrwerkes (Sonsino)


Konstante Amplituden 

Schwingfestigkeit 

Kurzzeitfestigkeit Zeitfestigkeit „ Dauerfestigkeit“ deterministisch stochastisch 

σ 

ε a 

ε 

Schwingspielzahl N: 5·104 - 2·106 Wöhlerlinie Wöhlerlinie 

Wöhlerlinie 

N k N (log) 

σ a / σ ak (log) 

σ a 

σ m 

σ 

Spannungsverhältnis: R = 

σ 

>2·106 >2·106 Wöhlerlinie Wöhlerlinie Wöhlerlinie 

N (log) 

Unterteilung der Schwingfestigkeit (Sonsino) 

1 

N k 

σ a / σ ak (log) 

Variable Amplituden 

min 

max 

2 

1 

σ a 

σ m 

104 - 109 104 - 109 Wöhlerlinie Wöhlerlinie Wöhlerlinie 

Gaßnerlinie Gaßnerlinie Gaßnerlinie 

N k 

N (log)


Formdehngrenze und plastische Verformung (Sonsino)


Vergleich des Betriebsfestigkeitsverhaltens von Motorkonsolen aus dem Magnesiumguss 

AZ 91 ohne und mit plastischen Vor-Verformungen (Sonsino)


Darstellung von Versuchsergebnissen unter konstanten und variablen Amplituden (Sonsino) 

Amplitude σ σa/ a/ σ σa,max(bezogen) a,max(bezogen) (log) 

2,0 

1,0 

0,5 

0,3 

0,2 

+1.0 

+0.5 

0 

-0.5 

-1.0 

+0.5 

0 

-0.5 

DIA 6779d 

Konstante Amplituden 

- Woehlerlinie - 

Wiederholte konstante 

Amplituden 

Amplitude 

t 

t 

Rechteck- 

Kollektiv 

k k 

0 

0 

N 1 

N 2 

+1.0 

+0.5 

0 

-0.5 

-1.0 

+0.5 

0 

-0.5 

Variable Amplituden 

- Gaßnerlinie - 

Wiederholte Beanspruchungs-Zeit-Funktion 

N = x ⋅ L 

N 1 N 2 N 1 N 2 Schwingspielzahl N, N (log) 

t 

t 

0 

0 

Wiederholte Teilfolge 

(Amplituden-Verteilung) 

x 

y 

L s 

L s 

1 

2 

s 

N = y ⋅ L 

L s : Umfang der Teilfoge 

x, y : Anzahl der Wiederholungen 

s


Einfluss der Kollektivform auf die Lebensdauer und Bauteilabmessungen


�� Merkmale von Schwingbrüchen I 

© Wulpi: Understanding How 

Components Fail 

Schwingbruch mit 

Schwingrissstreifen horizontal 

zur Risswachstumsrichtung 

(ein Lastspiel pro Streifen) – 

dynamische mechanische 

Beanspruchung senkrecht 

zur Bruchoberfläche 

© Lange: Systematische Beurteilung 

technischer Schadensfälle 5. Auflage 

Kristallografisch 

orientierter Schwingbruch – 



zur Bruchoberfläche 

© Lange: Systematische Beurteilung 

technischer Schadensfälle 5. Auflage 

Schwingbruch mit 

Sekundärrissen – 



zur Bruchoberfläche


�� Merkmale von Schwingbrüchen II 

Innerer Schwingbruch, von einem Fehler 

in der Schweißnaht ausgehend 

Torsionsschwingbruch; 

Gebrochene Welle 


Doppelseitiger Biege-Schwingbruch 

Einseitige Biege-Schwingbruch


�� Merkmale von Schwingbrüchen III 

Schwingbruchbahnen, -streifen und linien Schwingstreifen mit verschiedenen 

Rissausbreitungsrichtungen um einen Einschluss 

Plastische Verformung am Übergang vom 

Schweißring zum Restbruch 


Reifenspurmuster im Schwingbruch


�� Schwingriss an einem Bolzen für ein Karussell 

Schwingriss ausgehend 

von Einbrandkerben – 

zwei Rastlinienzonen 

und anschließender 

Gewaltbruch 



�� Schaden: Abkippen eines Teils des Karussells 

und infolge umherfliegender Bolzenteile 

�� Bauteil: Haltebolzen für einen Teil des Karussells 

�� Beanspruchung: dynamisch-mechanisch 

�� Konstruktion: Schweißnaht liegt im Zentrum 

der höchsten lokalen Beanspruchungen 

�� Werkstoff: Kohlenstoffstahl AISI 1040 

�� Primärschaden: Schwingriss ausgehend von 

Einbrandkerben in der ringförmigen Kehlnaht 

�� Ursache: mangelhafte Ausführung der Schweißnaht 

�� Schadensvermeidung: Schweißen mit optimierten 

Nahtübergängen


�� Schwingriss infolge unzureichender Schweißnahtquerschnittsübergänge 

LCF ausgehend 

von Spannungskonzentrationen 

an einem schlechten Nahtübergang 



�� Schaden: Leckagen in einem Überhitzer 

(188 °C, 2 MPa = 20 bar) zur Reifenproduktion 

�� Bauteil: Rohr-Flansch-Verbindung 

�� Beanspruchung: dynamisch-mechanisch 

(LCF infolge der An- und Abfahrprozesse) 

�� Konstruktion: Schweißnaht liegt im Übergang 


�� Primärschaden: Low Cycle Fatigue ausgehend 

von Spannungskonzentrationen am Übergang 

�� Ursache: mangelhafte Ausführung der 

Schweißnaht und des Nahtübergangs 


Nahtübergänge


�� Schwingriss bei Eigenfrequenz des Bauteiles 

�� Schaden: Risse im Läufer eines 

Asynchronmotors 

und dessen Ausfall 

�� Bauteil: Läufer des Motors 


dynamisch-mechanisch 

�� Konstruktion: Schweißnaht 

liegt im Übergang 


�� Primärschaden: Ausgang der 

Risse an der Schweißnaht A und 

den konstruktiven Kerben 

B und C 

�� Ursache: mangelhafte Ausführung 

der Querschnittsübergänge, 

insbesondere an der Schweißnaht 

�� Schadensvermeidung: 

Optimierung der Nahtübergänge 



�� Schwingriss infolge ungenügender Nahtausführung und –auslegung 

�� Schaden: Bruch einer Zuführungsleitung 

für einen Wärmetauscher 

�� Bauteil: Rohrstutzen 

�� Beanspruchung: dynamischmechanisch 

(überlagerte Reaktionsspannungen 

und Spannungskonzentrationen im Nahtfuß 

infolge schlechter Nahtausführung und 

-auslegung) 

�� Konstruktion: Spannungskonzentrationen 

im Kragenblech 

�� Werkstoff: AISI 347 

�� Primärschaden: Schwingrisse ausgehend 

von den Schweißungen am Kragenblech 

�� Ursache: mangelhafte Ausführung der 

Schweißnaht und des Nahtübergangs 

�� Schadensvermeidung: Optimierung des 

Nahtüberganges durch flaches Kragenblech 


Failure Analysis and Prevention


�� Schwingsriss infolge Bindefehler 

�� Schaden: Bruch von Ölrückführleitungen in einem 

Flugtriebwerk nach ½ bis 1 Jahr 

�� Bauteil: Rohrstutzen und Rohrflansche 

�� Beanspruchung: Dynamisch-mechanisch mit 

hohen Spannungskonzentrationen an Bindfehlern 

und überlagernd statisch-thermo-mechanisch 

(Reaktionsspannungen infolge Abkühlung 

nach dem Schweißen) sowie überlagernd 

metallurgisch infolge Alterung und Festigkeitsabfall 

nach Reparaturschweißung mit hoher Wärmezufuhr 

�� Konstruktion: V-förmige Stutzeneinschweißungen 

und ringförmige Kehlnähte 

�� Werkstoff: Aluminiumlegierung 6061-T6 (Heißrisse ?) 

�� Primärschaden: Schwingungsrisse an Bindefehlern 

(Heißrisse?) und Alterung bei Reparaturschweißungen 

�� Ursache: Mangelhafte Ausführung der Schweißnaht 

und zu hohe Wärmeeinbringung bei der Reparatur 

�� Schadensvermeidung: Optimierung der Schweißprozeduren 

und Verbot von Raparturschweißungen 


Failure Analysis and Prevention

III. BETRIEBSFESTIGKEIT UND AUSLEGUNG 

Auslegungskonzepte: haben für Schadensuntersuchung eine besondere 

und herausragende Bedeutung, 

weil Gründe der Verantwortlichkeit es erfordern zu prüfen: 

Wurde das geschädigte Bauteil ordnungsgemäß und nach dem Stand der 

Technik ausgelegt ? 

Als Ergebnis dieser Überprüfung sind gegebenenfalls Konsequenzen für 

ähnliche im Betrieb befindliche Bauteile und die zukünftige 

Auslegungspraxis zu ziehen. 

Andererseits besteht die einzigartige Möglichkeit, die Treffsicherheit der 

einzelnen Konzepte vor dem Hintergrund eines Schadensfalls kritisch zu 

überprüfen und zu hinterfragen.


Bemessungskonzepte der Betriebsfestigkeit

Einteilung der heute verfügbaren Auslegungskonzepte: 

Ableitung von den Spannungskategorien 

Die im höchstbeanspruchten Bauteilquerschnitt auftretenden Spannungen bzw. 

Verformungen lassen sich in integrale Nennspannungen (Primärspannungen), in strukturell 

bedingte Sekundärspannungen, in Spitzenspannungen (linear-elastisch) oder Maximaldehnungen 

(elastisch-plastisch) im Kerbgrund (Hot Spot) sowie in Spannungsintensitäten 

an sehr scharfen, rissartigen Kerb- oder Fehlstellen gliedern. Die Summe aus Primär- und 

Sekundärspannung wird als Strukturspannung bezeichnet. 

Spannungskategorien an einem MAG-Kehlnahtanschluss

Für Schäden ist bedeutsam, dass letztlich nur die Primärspannungen die 

nützlichen - da lasttragenden - Spannungen darstellen, dass aber besonders 

beim spröden Gewaltbruch und beim Ermüdungsversagen sämtliche 

Spannungskategorien in nahezu gleicher Weise zum Versagen beitragen. Daher 

ist zur Herstellung optimaler und wirtschaftlicher Strukturen und zur 

Vermeidung von Schäden die konsequente Minimierung der nicht 

lasttragenden, aber trotzdem schädigungswirksamen Sekundär- und 

Spitzenspannungen unerlässlich.

Auslegungskonzepte für 

zeitlich veränderlich belastete Bauteile 

Grundsätzlich kann in integrale Konzepte und örtliche Auslegungskonzepte 

unterschieden werden. Die beiden Gruppen grenzen sich vor allem dadurch 

voneinander ab, ob die der Primärspannung überlagerten 

Sekundärspannungen und Spitzenspannungen auf der Seite der 

Beanspruchung B, z.B. als Ergebnis einer Finite Elemente Analyse, oder aber 

auf der Seite der Widerstandsfähigkeit R, z.B. über einen Bauteilversuch, in der 

Auslegung berücksichtigt werden.

Prinzip der Lebensdaueranalyse mit dem Nennpannungskonzept

Prinzip der Lebensdaueranalyse mit dem Örtlichen Dehnungkonzept

Prinzip der Lebensdaueranalyse mit dem Bruchmechanikkonzept

Bruch des Deckkrans 1 eines Containerschiffs 

Das Ermüdungsversagen an Podesten von Deckkranen von Containerschiffen 

wurde systematisch mit 

- dem Nennspannungskonzept 

- dem Strukturspannungskonzept 

- dem Kerbspannungskonzept 

- dem Örtlichen Dehnungskonzept und 

- dem Bruchmechanikkonzept analysiert. 

Mit Ausnahme des Nennspannungskonzepts lassen sich die Schäden unter 

Anwendung der Palmgren-Miner-Regel und den in der FKM-Richtlinie empfohlenen 

kritischen Schadenssummen relativ gut erklären. 

Die Treffsicherheit der Lebensdauervorhersage wird allerdings erheblich von den 

aus den Flanschkräften resultierenden Strukturspannungen beeinflusst, welche im 

vorliegenden Schadensfall durch experimentelle Spannungsanalyse mit 

Dehnungsmessstreifen ermittelt wurden.

σσσσp σσσσs σσσσk 

Schematischer Spannungsverlauf entlang der Wandinnenseite

Anordnung der Dehnungsmessstreifen an der Wandinnenseite 

für die experimentelle Spannungsanalyse

Dehnung 

[µm/m] 

ε 

Zeit t [s] 

Zeitlicher Dehnungsverlauf bei Belastung 

mit Eigengewicht des Auslegers mit Anzeigen der Einseiten-DMS 

P

[µm/m] 

ε 

Dehnung 

Zeit t [s] 

Zeitlicher Dehnungsverlauf bei Belastung 

mit Eigengewicht des Auslegers und des Ladelukendeckels

Zusammenhang 

zwischen der 

Beanspruchung 

an Messort SG1 

Und SG2 und der 

auf die Kerbstelle 

extrapolierten 

Strukturspannung 

Und dem eingeleiteten 

Biegemoment

Finite-Elemente-Modell des Flanschbereichs des Podests

Biege-Zugseite Biege-Druckseite 

Finite-Elemente Modell mit überhöhtem Verformungsplot

Auslegungskurven für Schweißverbindungen nach Eurocode 3 (EN 

1993-1-9:2005), ergänzt durch FAT 225

Zur Lebensdaueranalyse verwendetes 

Nennspannungskollektiv für 1 Jahr Betriebszeit

Spannungsamplitude [MPa] 

Schwingspielzahl N 

Lebensdaueranalyse mit dem Nennspannungskonzept 

für die obere Kerbstelle nach FKM- Richtlinie



Lebensdaueranalyse für die Schweißnaht unter Ansatz der 

Kerbfallklasse 71 nach IIW, FKM und Eurocode 3



Lebensdaueranalyse für die Schweißnaht mit dem 

Strukturspannungskonzept unter Ansatz der Kerbfallklasse 100



Lebensdaueranalyse mit dem Kerbspannungskonzept unter Ansatz 

der Kerbfallklasse 225

Spannungs-Dehnungs-Schleifen im Kerbgrund bei 

Anwendung des Örtlichen Dehnungskonzepts 

Dehnung [‰]


( log ) 

Spannungsamplitude σσ σσ a, a, a, a, σ a 

σ 

a , max 

Summenhäufigkeit 

(Kollektiv) 

n 1 

Berechnung der Lebensdauer (schematisch) 

Schadenssumme des Kollektives: 

1 

n 2 

Wöhlerlinie 

2 

n 3 

Neigung k 

N 1 

3 

n 

i 

∑ D Koll . 

i = 1 N i 

N 2 

n 4 

4 

H 0 

n 

= 

N k 

Gaßnerlinie 

σ k (Abknickpunkt) 

N 3 

k' = k 

N 

D 

rech. 

tat . 

= N 

N 

rech . 

k' = 2k - m 

m = 1: geschmiedete, gewalzte oder extrudierte Werkstoffe 

m = 2: Guß-und Sinterwerkstoffe, Schweißverbindungen 

Schwingspielzahl 

H 

= 

D 

0 

Koll . 

exp. 

⋅ D 

/ N 

N , N 

th 

rech . 

( D 

th 

N 4 

( log ) 

= 1 )


Verteilung tatsächlicher Schadenssummen für Versuchskörper aus Stahl und Aluminium


Bemessungskriterien


Werkstoffzustand (Stahl, Aluminium) 

Nicht geschweißte Bauteile 

(geschmiedet, gewalzt) 

Geschweißte Bauteile 

Zulässige Schadenssummen 

D zul 

Konstante Mittelspannung 

0.3 

0.5 

D zul 

Variable Mittelspannung 

0.1 

0.2


Parameter zur Ermittlung sowie Beschreibung einer Wöhlerlinie


Ableitung einer Bemesssungswöhlerlinie


Ermittlung der zulässigen Spannung 

1. Rechnerische Ausfallwahrscheinlichkeit P A und bezogene Sicherheitspanne u o bei 

logarithmischer Normalverteilung 

P A 

10 -1 

10 -1 

10 -2 

10 -2 

10 -3 

10 -3 

10 -4 

10 -4 

10 -5 

10 -5 

10 -6 

10 -6 

-u o 1.28 2.33 3.09 3.72 4.27 4.75 

2. Bestimmung der statistisch begründeten Sicherheitszahl j σ ausgehend von Streuungen 

lg jσ jσ = -u o 

. 

2 

2 

2 

s σ + s M + s B = − u o ⋅ s 

sσ: Standardabweichung der ertragbaren Festigkeit um den Spannungsmittelwert 

σPü = 50% mit sσ = 0.39 . sσ: Standardabweichung der ertragbaren Festigkeit um den Spannungsmittelwert 

σPü = 50% mit sσ = 0.39 lg (1/Tσ) 

sM: sB: Standardabweichung bei einer Streuung des Spannungsmittelwertes 

Standardabweichung der Beanspruchung; falls maximale Beanspruchung 

angenommen wird, folgt sB = 0 

. lg (1/Tσ) 

sM: sB: Standardabweichung bei einer Streuung des Spannungsmittelwertes 

Standardabweichung der Beanspruchung; falls maximale Beanspruchung 

angenommen wird, folgt sB = 0 

3. Zulässige Spannung für die geforderte rechnerische Ausfallwahrscheinlichkeit 

σ zul = σ Pü = 50% /jσ /jσ


Häufigkeit Häufigkeit 

Belastung, Belastbarkeit und Ausfallwahrscheinlichkeit 

• 

Sicherheit 

Belastung im Betrieb Belastbarkeit 

• 

• 

Ausfallwahrscheinlichkeit


Spannungsamplitude σ a (log) 

σ σa,max a,max 

σ a,50% 

Lebensdauer und Sicherheit 

Gaßnerlinien 

Überlebenswahrscheinlichkeit 

P ü : 10% 

50% 

90% 

99% 

99% 

Bemessungskollektiv mit geringer 

Auftretenswahrscheinlichkeit P e 

Streuband der 

Betriebsbeanspruchung 

N (σ (σa,max) a,max) 

T σ 

TN 

Ausnutzbare Lebensdauer 

Streuband der ertragbaren Beanspruchung (s, T σ ) 

L B 

Bemessungslebensdauer 

Rechnerische Ausfallwahrscheinlichkeit 

P A = f (P (Pe,P e,Pü) ü) 

σ a,ertr.,50% Sicherheitsfaktor 

S=σ a,ertr.,50% a,ertr.,50% / σ σa,50% a,50% ≈ 1,7-2,2 

Ausfallrate 

Lebensdauer (log) 

Ref.: V. Grubisic


a. Grundgesamtheit und ungünstige 

Lage einer Stichprobe 

Abdecken des Risikos aus der Zufälligkeit weniger Versuche 

m = lg σn,Pü =50% oder lg N m = lg σn,Pü =50% n,Pü =50% 

oder lg Nn,Pü =50% 

Mc = lg σPü =50% oder lg N Mc = lg σPü =50% Pü =50% 

oder lg NPü =50% 

σ, N = X 

M c 

Tx = 10 –2,56⋅sx 

Tx = 10 –2,56⋅sx 

P (x) 

s s 

M m 

Grundgesamtheit mit dem 

wahren Mittelwert M 

kleine Stichprobe mit 

dem Umfang n und 

dem Mittelwert m 

x 

b. Sicherheitszahl zu Abdeckung des Risikos bei 

einer geringen Anzahl von Versuchen 

Vertrauenswahrscheinlichkeit: C = 90 % 

Anzahl der Versuche: n 

Korrigierter Mittelwert: 

X 

P = 50 % 

ü 

= 

Risikofaktor: 

j 

R ( C 

X 

j 

n , P = 50 % 

ü 

= ⎟ ⎛ 1 ⎞ 

= ⎜ 

= 90 %) ⎜ ⎟ 

⎝ T ⎠ 

⎟ 

⎛ 1 ⎞ 

= ⎜ 

= 90 %) ⎜ ⎟ 

⎝ T ⎠ 

⎟ 

⎛ 1 ⎞ 

= ⎜ 

90 %) ⎜ 

⎝ T ⎠ 

R ( C = 90 %) 

x 

⎛ 

⎜ 

⎜ 

⎝ 

1 

⎞ 

⎟ 

4n 

⎟ 

⎠


Versuchsforderung zum Abdecken des Risikos der Lebensdauerbestimmung bei wenigen 

Versuchen


Einteilung von Bauteilen nach den Gesichtspunkten der Sicherheit und Funktionstüchtigkeit 

Einteilung 

Einfluss 

Beispiele 

PRIMÄR - KOMPONENTEN SEKUNDÄR - KOMPONENTEN 

Sicherheitskomponenten, 

bei denen kein Versagen 

auftreten darf 

Bei einem Versagen 

Lebensgefahr für den 

Nutzer und Umgebung 

- Achsschenkel 

- Schwenklager 

- Fahrzeugräder 

A B C 

Funktionskomponenten, 

bei denen ein Versagen 

vermieden werden soll 

Bei einem Versagen 

wird die Funktion der 

Anlage unterbunden 

- Pleuel 

- Kurbelwelle 

Funktionskomponenten, bei denen 

gelegentliches Versagen toleriert wird 

Bei einem Versagen keine direkte 

Auswirkung auf Sicherheit und 

Funktionstüchtigkeit der Anlage 

- Nicht tragende Komponenten 

- Abgaskrümmer 

- Schweißpunkte in selbsttrag. Karosserien

Schadensanalyse 2012 - 2013 - Vorlesung 9 [Kompatibilitätsmodus]

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