Befestigungsmittel-Forensik:
Wie man die Unfallursache anhand einer gebrochenen Schraube ermittelt Automatische übersetzen

Metall lügt nicht. Wenn eine Verbindung versagt, bewahren die Bolzenfragmente eine präzise Aufzeichnung der Ereignisse, die zum Bruch geführt haben. Für einen erfahrenen Ingenieur oder Mechaniker ist die Bruchfläche wie ein offenes Buch, geschrieben in der Sprache der Festkörperphysik. Die Fähigkeit, diese Spuren zu lesen, verwandelt die Reparatur von einem Ratespiel in eine exakte Wissenschaft und ermöglicht es, die Ursache und nicht nur die Symptome zu beheben.

Jeder Unfall beginnt lange vor dem endgültigen Aufprall. Der Versagensprozess wird oft durch mikroskopische Veränderungen in der Metallstruktur ausgelöst, die sich über Stunden, Tage oder sogar Jahre akkumulieren. Wenn der Schraubenkopf abbricht, sehen wir lediglich den letzten Akt eines langen Dramas. Hauptziel der Untersuchung ist es, die Chronologie zu rekonstruieren und die Art der auf das Bauteil wirkenden Belastungen zu bestimmen.

Anatomie der plastischen Fraktur

Die häufigste und offensichtlichste Versagensart ist die einfache Überlastung. Sie tritt auf, wenn die einwirkende Kraft die Zugfestigkeit des Metalls übersteigt. Ingenieure bezeichnen dies als duktilen Bruch. Hauptsymptom ist hierbei die Verformung. Das Metall „fließt“, bevor es bricht.

Optisch ähnelt ein solcher Bruch einem Hals. Wer schon einmal Kaugummi oder Knete gedehnt hat, bis sie rissen, kennt diesen Vorgang. An der Stelle der größten Belastung verringert sich der Durchmesser des Bolzenschafts und bildet eine charakteristische Verengung, den sogenannten Hals. Die Bruchfläche selbst wirkt matt, faserig und uneben.

Lieferanten und Projektmanager betrachten Befestigungselemente lediglich als Kostenposten. Im Eifer des Gefechts suchen sie vielleicht nach Begriffen wie „Preis für M30-Muttern in Onyx“ und konzentrieren sich dabei auf Logistik und Budget. Ein Mechaniker, der einen abgebrochenen Bolzen in der Hand hält, weiß jedoch, dass die Stahlqualität, die Festigkeitsklasse und die korrekte Montage wichtiger sind als die Zahlen auf der Rechnung. Eine falsche Wahl oder ein Anzugsfehler hinterlässt immer Spuren am Bruchstück.

Das typische Bruchmuster bei duktilem Stahl wird als „Kegelbruch“ bezeichnet. Ein Teil des gebrochenen Bolzens weist eine Vertiefung in der Mitte mit erhabenen Rändern auf (der Kegel), während der andere Teil einen entsprechenden Vorsprung (den Kegel) aufweist. Die Kanten sind oft in einem Winkel von etwa 45 Grad zur Belastungsachse abgeschrägt. Dies ist ein deutliches Zeichen dafür, dass das Befestigungselement aus hochwertigem duktilem Stahl gefertigt war, die Belastung jedoch zu hoch war.

Die Ursache für duktile Brüche findet sich fast immer in der Werkstatt. Entweder wird ein Verlängerungsrohr an einem Schraubenschlüssel verwendet, oder es handelt sich um einen Konstruktionsfehler, bei dem ein zu schwaches Befestigungselement für das jeweilige Bauteil gewählt wurde. Die Schraube hielt bis zum Schluss stand, dehnte sich und deutete so auf ein Problem hin, bis ihre Duktilität erschöpft war.

Sprödbruch: Plötzlicher Tod

Das genaue Gegenteil eines duktilen Bruchs ist ein spröder Bruch. Es gibt keine Warnzeichen. Der Bolzen dehnt sich nicht, und der Halsdurchmesser verringert sich nicht. Der Bruch erfolgt schlagartig, oft begleitet von einem lauten, schussartigen Geräusch. Dies ist der gefährlichste Fall, da er ohne jegliche sichtbare Vorwarnung eintritt.

Die Oberfläche eines Sprödbruchs sieht anders aus. Sie ist flach, verläuft senkrecht zur Bolzenachse und weist eine körnige, kristalline Struktur auf. Das Metall glänzt und reflektiert das Licht mit seinen vielen feinen Facetten, ähnlich wie ein Stückchen raffinierter Zucker. Manchmal sind auf der Oberfläche sogenannte Chevronmuster sichtbar – V-förmige Markierungen, deren spitze Enden auf den Ursprung des Risses hinweisen.

Die Ursachen für Sprödigkeit liegen in der Materialstruktur oder den Betriebsbedingungen. Hochfeste Schrauben (Gütenklassen 10.9, 12.9) neigen eher zu diesem Verhalten als Baustahl. Eine häufige Ursache ist eine unsachgemäße Wärmebehandlung, bei der das Metall überhitzt und übermäßig gehärtet wird.

Niedrige Temperaturen tragen ebenfalls zur Sprödigkeit bei. Normaler Stahl verliert bei extremer Kälte seine Schlagfestigkeit. Wird ein Gerät im Norden eingesetzt, führt die Stoßbelastung auf eine eingefrorene Schraube zu glasartigem Zersplittern. Ist der Schnitt körnig und glänzend und weist keine Anzeichen einer Verjüngung auf, liegt das Problem wahrscheinlich an der Materialqualität oder der Temperatur, nicht an zu fest angezogenen Schrauben.

Ermüdungsbruch: Strandlinien

Materialermüdung ist der heimtückischste Feind der Mechanik. Sie ist für die überwiegende Mehrheit der Unfälle im Maschinenbau verantwortlich. Das Besondere an der Ermüdung ist, dass sie eine Schraube bereits unter Belastungen zerstört, die weit unterhalb ihrer Zugfestigkeit liegen. Der Bruch erfolgt nicht durch plötzliche Krafteinwirkung, sondern durch zyklische Belastung.

Stellen Sie sich einen Draht vor, den Sie immer wieder biegen und geradebiegen. Irgendwann bricht er. Dasselbe passiert mit einer Schraube, nur im mikroskopischen Bereich. Der Prozess beginnt immer mit einem winzigen Oberflächenfehler: einem Kratzer, einer Korrosionsnarbe oder einer Gewinderille. Dies ist ein Spannungskonzentrator.

Mit jedem Lastzyklus (Motorvibrationen, Radrotation) breitet sich der Riss um Mikrometer aus. Dieser Prozess hinterlässt auffallend deutliche Spuren auf der Bruchfläche, sogenannte „Strandspuren“. Sie ähneln Baumringen oder Wellenmustern im Sand. Diese Bögen strahlen vom Ursprung des Risses aus.

Die Ermüdungswachstumszone ist üblicherweise glatt, fast poliert, da die Risskanten während des Betriebs ständig aneinander reiben. Sobald der Bolzenquerschnitt jedoch zu klein wird, um die Last zu tragen, kommt es zum vollständigen Bruch. Diese Bruchzone ähnelt einem typischen Spröd- oder Duktilbruch – sie ist rau und uneben.

Das Vorhandensein von Risslinien ist ein sicheres Zeichen für mangelhafte Montage. Schraubenermüdung tritt nur dann auf, wenn die Verbindung „atmet“. Bei korrekter Vorspannung der Schraube wirken keine veränderlichen äußeren Belastungen auf sie ein. Das Auftreten eines Ermüdungsrisses deutet darauf hin, dass die Anzugskraft unzureichend war und sich die Bauteile relativ zueinander bewegten. Der Fehler liegt nicht im Material, sondern darin, dass kein Drehmomentschlüssel verwendet wurde.

Wasserstoffversprödung: der unsichtbare Saboteur

Es gibt eine Art von Ausfall, die selbst erfahrene Mechaniker vor ein Rätsel stellt. Eine Schraube wird vorschriftsmäßig angezogen, die Belastung entspricht den Spezifikationen, doch einen Tag später fällt der Schraubenkopf einfach ab, während die Maschine in der Garage steht. Dieses Phänomen nennt man verzögerten Ausfall, und seine Ursache ist Wasserstoff.

Beim Säureätzen oder galvanischen Verzinken dringt atomarer Wasserstoff in das Kristallgitter des Stahls ein. Wird das Verfahren nicht ordnungsgemäß durchgeführt und die Dehydrierung (das Ausheizen der Teile im Ofen) versäumt, verbleibt das Gas im Metall. Unter mechanischer Belastung wandern die Wasserstoffatome zu den Bereichen mit hoher Spannungskonzentration und erzeugen dort einen enormen Innendruck.

Ein durch Wasserstoffversprödung verursachter Bruch ist stets interkristallin. Unter dem Mikroskop ist deutlich zu erkennen, dass sich der Riss nicht durch die Metallkörner hindurch, sondern entlang ihrer Grenzen ausbreitet, als würde er die Struktur auflösen. Optisch erscheint dies als ein schmutziger, grauer, rauer Bruch ohne Spuren plastischer Verformung.

Dies ist der Fluch hochfester Verbindungselemente. Normale Konstruktionsschrauben der Festigkeitsklassen 5.8 oder 8.8 sind selten betroffen, da ihre Struktur das Entweichen von Wasserstoff ermöglicht oder keine kritischen Spannungen erzeugt. Bei Produkten der Festigkeitsklassen 10.9 und 12.9 hingegen ist die Anwesenheit von Wasserstoff fatal. Wenn eine glänzende, verzinkte Schraube im Ruhezustand von selbst reißt, handelt es sich mit hoher Wahrscheinlichkeit um Wasserstoffversprödung.

Gewindebeschädigung: wenn die Mutter fester ist als die Schraube

Manchmal bleibt der Schraubenschaft intakt, die Verbindung versagt jedoch, weil das Gewinde vollständig zerstört ist. Gewindeausreißen tritt auf, wenn die Härte der Werkstoffe von Schraube und Mutter nicht aufeinander abgestimmt ist oder die Anzugslänge unzureichend ist.

Im Idealfall sollte die Schraube brechen, bevor das Gewinde beschädigt ist. Eine gebrochene Schraube ist sofort erkennbar, während beschädigte Gewinde unbemerkt bleiben und so ein trügerisches Gefühl von Zuverlässigkeit erzeugen können. Wenn Sie feststellen, dass die Gewinde wie abgescherte Späne aussehen oder mit Metallspänen verstopft sind, dann sind sie beschädigt.

Typischerweise brechen Gewinde am Ansatz, am Gewindegrund. Wenn das Gewinde der Mutter abbricht, war die Mutter zu weich. Ist das Gewinde der Schraube „blank“, liegt das Problem an der Schraube selbst. Üblicherweise sollte die Mutter etwas weicher als die Schraube sein, die Höhe einer Standardmutter (etwa das 0,8-fache des Gewindedurchmessers) ist jedoch ausreichend, um die Zugbelastung der Stange aufzunehmen.

Gewindescherung deutet oft auf zu festes Anziehen bei geringem Gewindeeingriff hin. Wenn die Schraube nur wenige Umdrehungen in die Mutter eingeschraubt ist, ist die Gewindekontaktfläche unzureichend. Das Metall hält der Scherkraft nicht stand und fließt, wobei ein Zylinder entsteht.

Kniebasierte Diagnostik

Für eine erste Analyse ist kein Labor mit Elektronenmikroskop erforderlich. Gute Beleuchtung und eine 10-fache Vergrößerung genügen. Vermeiden Sie es unbedingt, die Bolzenhälften mit Gewalt zusammenzupressen. Dadurch werden die mikroskopischen Details der Bruchfläche zerstört und die Erhebungen und Vertiefungen verwischt.

Untersuchen Sie den Ursprung des Risses. Bei Materialermüdung befindet er sich häufig im Gewindegrund oder unter dem Schraubenkopf – dort, wo sich die Geometrie abrupt ändert. Wenn Sie radiale Linien sehen, die in einem Punkt zusammenlaufen, ist dieser Punkt der Ursprung. Rost auf der Bruchfläche deutet darauf hin, dass der Riss schon lange vorhanden war und Feuchtigkeit Zeit hatte, einzuwirken. Ein frischer Riss hat einen glänzenden, sauberen Metallglanz.

Überprüfen Sie die Geometrie. Legen Sie ein Lineal an die verbleibende Stange an. Ist eine Verformung erkennbar? Eine verbogene Schraube deutet darauf hin, dass die Verbindung einer Scherbelastung ausgesetzt war, für die Schrauben nicht ausgelegt sind. Eine Schraubverbindung funktioniert aufgrund der durch die Vorspannung erzeugten Reibung. Wenn die Schraube als Scherbolzen wirkt, war die Reibung unzureichend – auch hier liegt das Problem im Anzugsmoment.

Die Rolle der Spannungskorrosion

Ein weiteres Ausfallszenario entsteht durch korrosive Umgebungen. Spannungsrisskorrosion (SRK) ist der schleichende Tod für Edelstähle. Ein Bauteil kann äußerlich fast neuwertig erscheinen, doch im Inneren bilden sich verzweigte Risse.

Diese Art von Bruch weist eine sehr charakteristische Struktur auf. Er tritt häufig mehrfach auf, mit zahlreichen Sekundärrissen, die tief in das Material reichen. Die Bruchfläche kann mit Korrosionsprodukten bedeckt sein, jedoch nicht in einer durchgehenden Schicht, sondern stellenweise.

Dies tritt auf, wenn drei Faktoren zusammenwirken und ein schwerwiegendes Problem verursachen: Zugspannung, ein anfälliges Material (wie beispielsweise austenitischer Edelstahl 304 oder 316) und eine spezifische Umgebung (meist Chloride, beispielsweise in Form von Seenebel oder Streusalz). Reißt eine Edelstahlschraube in feuchter Umgebung ohne sichtbare Verformung, ist Spannungsrisskorrosion (SCC) wahrscheinlich. Die Lösung besteht hier nicht in der Vergrößerung des Schraubendurchmessers, sondern im Wechsel zu Duplexstählen oder Speziallegierungen.

Praktische Schlussfolgerungen

Die Bruchanalyse von Verbindungselementen ist nicht länger das geheime Gebiet der Metallurgen. Sie ist ein unverzichtbares Werkzeug für Mechaniker und hilft, wiederholte Fehler zu vermeiden.

• Ist der Hals verbogen und das Gewinde gedehnt? Der Hebel ist zu lang. Besorg dir einen Drehmomentschlüssel.
• Ist der Bruch glatt, körnig und glänzend? Die Schraube war defekt (überhitzt) oder festgefroren. Wechseln Sie den Lieferanten oder die Festigkeitsklasse.
• Sind Bögen (Strandlinien) sichtbar? Die Schrauben sind nicht fest angezogen. Das Gerät hat vibriert. Verwenden Sie Schraubensicherung oder überprüfen Sie das Anzugsdrehmoment.
• Ist eine Schraube von selbst auf einem Regal gebrochen? Wasserstoffversprödung. Hochfeste Befestigungselemente sollten nicht in der Garage verzinkt werden.

Jede gebrochene Schraube ist ein Zeichen für mangelnde Zuverlässigkeit. Ignoriert man diese Anzeichen und ersetzt das defekte Teil einfach durch ein neues, plant man bereits für den nächsten Unfall. Eine genaue Untersuchung des abgebrochenen Schraubenendes spart Tausende von Euro und Hunderte von Stunden Ausfallzeit und wandelt das Chaos von Notfallreparaturen in einen planbaren Anlagenbetrieb um.