Hintergrund
Vier gebrochene verzinkte Sechskantschrauben wurden nach einem Ausfall im Betrieb an das Laborteam von Rimkus Materials Testing and Investigation geschickt. Unsere Materialexperten führten eine metallurgische Fehleranalyse durch, um die Ursache des Bruchs zu ermitteln.
Angebotene Dienstleistungen
Die ausgefallenen Sechskantschrauben wurden einer Reihe von Prüf- und Analyseverfahren unterzogen, darunter visuelle und stereoskopische Untersuchungen, Untersuchungen mit dem Rasterelektronenmikroskop (REM), Analyse der Elementzusammensetzung durch energiedispersive Spektroskopie (EDS), Metallographie/Mikrostrukturbewertung, Rockwell-Härteprüfung und Analyse der chemischen Zusammensetzung (OES).
Ergebnisse
Die Ergebnisse der Prüfungen und Analysen deuteten darauf hin, dass die Bolzen aufgrund von Wasserstoffversprödung versagten. Das Vorhandensein eines Bandes von interkristallinen Bruchmerkmalen um den Umfang der Bruchfläche bestätigte ebenfalls die Wasserstoffversprödung als Ursache des Versagens. Wasserstoffversprödung kann während der Beiz-/Reinigungs-/Beschichtungsprozesse auftreten. Bei diesen Prozessen entsteht atomarer Wasserstoff, der entlang der Korngrenzen in den Querschnitt der Schrauben diffundiert. Wenn die Schrauben nicht kurz nach dem Beschichten einem angemessenen Ausheizzyklus (gemäß ASTM B850) unterzogen werden, verbleibt der Wasserstoff im Metallgefüge, was zu einem sehr spröden Zustand führt. In den meisten beobachteten Fällen weist der gesamte Bruchquerschnitt eine intergranuläre Oberfläche auf. In diesem Fall wurde ein dünner Ring mit interkristallinen Bruchmerkmalen beobachtet, was darauf hindeutet, dass zwar ein Ausheizzyklus durchgeführt wurde, die Zeit/Temperatur jedoch nicht ausreichte, um den gesamten atomaren Wasserstoff durch die dicke Beschichtung hindurch auszudiffundieren.
Sowohl die gebrochenen als auch die intakten Schrauben wurden aus unlegiertem Stahl hergestellt, der die Anforderungen an die Zusammensetzung der Legierung SAE 1030 mit einer Kernhärte von ca. 48 Rockwell "C" erfüllt.
Zahlen
Abbildung 1: Foto der ausgefallenen und der dazugehörigen verzinkten Sechskantschrauben, die zur Untersuchung vorgelegt wurden.
Abbildung 2: Foto mit geringer Vergrößerung des gebrochenen Befestigungselements, das für die Untersuchung und Analyse ausgewählt wurde.
Abbildung 3: REM-Bild mit geringer Vergrößerung der Bruchfläche in Abbildung 2. Die folgenden Abbildungen zeigen REM-Bilder mit stärkerer Vergrößerung.
Abbildung 4: Vergrößerte REM-Aufnahme der unterirdischen intergranularen Bruchmerkmale, die am äußeren Durchmesser der Bruchfläche zu beobachten sind.
Abbildung 5: Stark vergrößerte Ansicht der Bruchfläche am Kern (Mitte) des gebrochenen Verbindungselements. Es wurde eine primär duktile Überlast-Bruchfläche beobachtet.
Abbildung 6: REM-Aufnahme der Außenfläche der gebrochenen Schraube mit geringer Vergrößerung. Die Schraube ist innerhalb des Gewindegrundes neben der Gewindeflanke gebrochen.
Abbildung 7: EDS-Elementspektralanalyse der Zink (Zn)-Beschichtung auf der Bolzenaußenfläche. Bei der Analyse wurden auch Spuren von Kohlenstoff (C) und Sauerstoff (O) festgestellt.
Abbildung 8: Mikroskopische Aufnahme des Querschnitts der gebrochenen Schraube bei geringer Vergrößerung. Der kathodische Schutz der Verzinkung ist deutlich zu erkennen, der die Gewinde auf der Außenfläche vor dem Ätzmittel schützt. Es wurden keine sekundären Risse beobachtet. Die Verzinkungsschicht ist in Abbildung 9 in stärkerer Vergrößerung zu sehen.
Abbildung 9: Mikrofoto mit hoher Vergrößerung der Zinkschicht entlang der Gewindeflanke. Zu sehen ist eine gleichmäßige 14µm dicke Zinkschicht (zwischen den Pfeilen).