Dr. Dirk Bettge, Experte für Fraktografie und Metallografie, hier mit einer Materialprobe im Lichtmikroskop. Der Bildschirm zeigt eine Makrosicht auf die Bruchstelle.
Quelle: BAM
Materialversagen hat schlimme Folgen, wenn dadurch Menschen zu Schaden kommen. Das wäre 2008 beinahe geschehen, als ein ICE in Köln entgleiste und es fast zur Katastrophe kam. Ein Teil des Fahrwerks, die Radsatzwelle, war gebrochen, und ein Waggon sprang aus den Schienen. Was war die Ursache? Das Medieninteresse war groß, aber die Sprecher der BAM durften zu den Untersuchungen und Tests zunächst nur sagen: kein Kommentar. Es stellte sich heraus, dass eine Materialverunreinigung beim Herstellungsprozess den Riss verursachte, der das Bauteil am Ende brechen ließ. Der Auftraggeber - die Staatsanwaltschaft - gab schließlich die Ergebnisse der BAM frei.
Bruchflächen und Risse analysieren, um Bruchmechanismen zu ergründen, das ist die Aufgabe von Fachleuten, die sich auf das Thema Fraktografie spezialisiert haben. Dr. Dirk Bettge aus der Abteilung Werkstofftechnik der BAM führte mit seinen Kollegen und Kolleginnen beim Gutachten zum ICE-Unfall von 2008 die fraktografischen und metallografischen Untersuchungen durch. Wirtschaftsunternehmen jeder Größenordnung, Versicherungen aber auch Gerichte wenden sich bei unklaren Schadensursachen oft an die BAM, um unabhängige Schadensanalysen durchführen zu lassen. Von den meisten Untersuchungen erfährt die Öffentlichkeit jedoch nichts, denn die BAM ist den Auftraggebern gegenüber zur Geheimhaltung verpflichtet.
Materialprobe im Lichtmikroskop Quelle: BAM
Die Fraktografie hat in der Ingenieurwissenschaft eine lange Geschichte und ist dennoch hoch aktuell. Schon Ende des 19. Jh. wollte einer der Gründerväter der BAM wissen, wie Materialbrüche entstehen: Adolf Martens. Er entwickelte spezielle Untersuchungsmethoden für Materialprüfungen und wusste schon damals zwischen Gewaltbrüchen und Schwingbrüchen zu unterscheiden. Beide hinterlassen charakteristische makroskopische und mikroskopische Merkmale auf den Bruchflächen. Die zunächst ausschließlich lichtoptischen Methoden verfeinerten sich über die Zeit. Das Transmissionsmikroskop kam zum Einsatz, dann das Rasterelektronenmikroskop. Dr. Bettge erklärt: „Wir analysieren Bruchflächen von Schadensteilen und schreiben Prüfberichte. Und wir arbeiten daran, unsere Erfahrungen weiter zu verbreiten. Heute geht es natürlich nicht mehr darum, dicke Lehrbücher zu schreiben, sondern digital und online Datenbanken zur Verfügung zu stellen. Man muss Wissen ansammeln und bereitstellen, damit man einen Datenbestand hat.“
Es braucht langjährige Erfahrung, um Bruchbilder sicher interpretieren zu können. Er selbst fühlte sich erst etwa nach zehn Jahren als Experte auf diesem Gebiet. Dr. Bettge wüsste schon, wie die Expertise etwas schneller aufgebaut werden könnte: „Wir beschäftigen uns zurzeit damit, wie man Fraktografie in Zukunft nicht nur qualitativ, sondern auch quantitativ durchführen kann. Fraktografie beruht ja auf Vergleichen zwischen vorhandenem Wissen und den aktuellen Fällen. Man hat bestimmte Merkmale in Bruchflächen, z. B. Streifenstrukturen oder Wabenstrukturen oder kristallographische Anordnungen. Die quantitative Beurteilung von Merkmalen ist sehr aufwändig und im Detail wesentlich schwieriger als es klingt. Forschungsanstrengungen gehen dahin, dass man Strukturen in Bruchflächen digital und quantitativ aufnimmt, analysiert und beurteilt. Das ist ein Gebiet, auf dem wir uns engagieren müssen.“
Bruchfläche eines Achslenkers am Vorderrad eines Feuerwehr-Fahrzeugs. Man erkennt als Teilfläche unten links einen alten Schwing-Anriss, der korrodiert ist, und einen großen grauen Restbruchbereich. Quelle: BAM, Fachbereich Materialographie, Fraktographie und Alterung technischer Werkstoffe
Dr. Bettge wird noch konkreter: „Das muss man sich so vorstellen: Bei einem Schwingbruch reißt ein Teil nicht mit einem Mal durch. Der Riss startet, läuft langsam durch, und dann bricht das Teil. Wenn ich mit dem Rasterelektronenmikroskop drauf schaue, dann sehe ich die so genannten Schwingstreifen, die charakteristische Abstände haben. Der Auftraggeber fragt dann meistens: Können sie anhand der Bruchfläche sehen, wann der Riss gestartet ist? Da müssen wir heute noch sagen: Na ja, wir können das ganz grob einschätzen, aber wir können es nicht genau sagen. Eine Idee wäre, dass man diese Schwingstreifen auszählt, misst und mit der Betriebsgeschichte vergleicht, also so eine Art Chronologie erstellt, so ähnlich wie das die Biologen anhand der Wachstumsringe von Bäumen machen. Man könnte versuchen, Bruchflächen anhand der Schwingstreifen zu datieren, die man auf der Probe findet. Dazu müsste man die Bruchflächen quantitativ auswerten, so dass wir an jede einzelne Veränderung in der Bruchfläche ein konkretes Datum schreiben können. In einer Bruchfläche sind auch oft bestimmte Geometrien erkennbar, die mit der Kristallstruktur des Werkstoffes zusammenhängen. Die müsste man ausmessen, mathematisch interpretieren und dann darstellen. So könnten Muster erkennbar werden. Mit speziellen Detektoren und vor allem mit geeigneten Rechenmethoden sollte es möglich sein, eine digitale Mustererkennung für Bruchbilder zu erstellen."
Noch ist dies Zukunftsmusik. Aber sobald sich ein externer Partner findet, mit dem die BAM ein solches Projekt realisieren kann, könnte die alte Methode Fraktografie einen gewaltigen Innovationschub erfahren.
Fachbereich Materialografie, Fraktografie und Alterung technischer Werkstoffe