Lässt sich Rissbildung verhindern?

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Ein Auto mit heutiger Sicherheitstechnik, hergestellt unter Verwendung von Werkstoffen, wie sie vor 20 Jahren üblich waren, wöge etwa eine halbe Tonne mehr, gibt Heinrich Friederich von der TH Mittelhessen in Friedberg zu bedenken: Ein imposanter Leichtbauerfolg, der auf Basis von Leichtmetallen, Kunststoffen und besonders auch ultrahochfesten Stählen möglich wurde.

Ein Erfolg allerdings, der auch Probleme bereitet: Die unterschiedlichen Materialien lassen sich häufig nicht mehr durch Schweißen verbinden, alternative Techniken wie das Nieten gewinnen wieder an Bedeutung. So weist etwa das Chassis eines Audi TT inzwischen 1600 Nietverbindungen auf. Aber: Nieten gilt nur bis zu einer bestimmten Festigkeit des Stahls als prozesssicher. "Die eingeschränkte Verformbarkeit der zu verbindenden Werkstoffe kann zu einer Rissbildung in der Fügezone führen", sagt Friedrich. Die Forscher des Kompetenzzentrums Verkehr – Mobilität – Automotive der TH Mittelhessen arbeiten deshalb in einem gemeinsamen Forschungsprozess mit der Adam Opel AG, Stanley Engineered Fastening – Tucker, Linde + Wiemann, Ruhl & Co und der Holzapfel daran, das Halbhohlstanznieten für moderne Werkstoffe so weiterentwickeln, dass Rissbildungen möglichst unterbleiben.

White Etching Cracks

Die Bruchmechanik behandelt das Problem der Rissbildung wissenschaftlich. Dabei sollen, so die Autoren von "Mechanisches Verhalten der Werkstoffe", insbesondere Aussagen darüber gewonnen werden, wie und bei welcher Belastung Rissausbreitung stattfindet, um zu einer sicheren Bauteilauslegung nach dem Stand der Technik zu gelangen (Seite 129). Hinzu kommt die Ursachenforschung. Weiß anätzende Risse (englisch: White Etching Cracks) sind beispielsweise ein noch weitgehend unverstandener Schadensmechanismus, der zu einem bisher nicht vorhersagbaren Zeitpunkt an mechanischen Kontaktpunkten auftritt. Bemerkenswert häufig sind Lager von Windkraftanlagen von Rissschäden betroffen, und deren Getriebe müssen dann mit großem Aufwand ausgewechselt werden.

Kombination zweier Charakterisierungsmethoden verspricht Aufklärung

Die bisherigen Erklärungsversuche für die Entstehung der Risse sind vielfältig: Versprödung durch Wasserstoff, Korrosionsermüdung oder das Zusammenwachsen von Hohlräumen im Stahl werden als mögliche Ursachen der Rissbildung genannt. Wissenschaftlich belegt sind all diese Hypothesen jedoch nicht. Der Bildungsprozess von Rissen erfolgt auf sehr kleinen Längenskalen, sodass sie bisher selbst mit den modernsten Mikroskopen nicht untersucht werden konnten. 

Michael Herbig, Projektgruppenleiter in der Abteilung "Mikrostrukturphysik und Legierungsdesign" am Düsseldorfer Max-Planck-Institut für Eisenforschung (MPIE), hat nun eine Methode entwickelt, die der Schlüssel zum Verständnis dieses Schadensmechanismus sein könnte. Ihm gelang die Kombination zweier hochmoderner Charakterisierungsmethoden (Transmissionselektronenmikroskopie und Atomsondentomographie), die die Messung einzelner Atome inklusive der Elementart und deren dreidimensionaler Anordnung ermöglicht. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) fördert nun die Anwendung dieser Kombimethode zur Untersuchung der weiß anätzenden Risse – am Beispiel von Lagern in Windkraftanlagen. 

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Untersuchung von weiß anätzenden Rissen, illustriert am Beispiel von Bahnschienen. Um den zugrunde liegenden Mechanismus dieser Risse zu verstehen, muss das Phänomen auf allen Längenskalen gemessen werden, von der Bauteilgröße bis hinab zur atomaren Skala. ©Michael Herbig/Ankit Kumar/MPIE