VDI 3822 Blatt 1 6-2010 Failure analysis - Liquid metal induced crack growth by hot dip galvanising.pdf

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1、ICS 03.100.40, 25.220.40, 77.040.01 VDI-RICHTLINIEN November 2010VEREIN DEUTSCHER INGENIEURE Schadensanalyse Flssigmetallinduzierte Rissbildung beim Stckverzinken Failure analysis Liquid metal induced crack growth by hot dip galvanising VDI 3822 Blatt 1.6 / Part 1.6 Ausg. deutsch/englisch Issue Germ

2、an/English Die deutsche Version dieser Richtlinie ist verbindlich. The German version of this guideline shall be taken as authori-tative. No guarantee can be given with respect to the English translation. VDI-Gesellschaft Materials Engineering (GME) Fachbereich Werkstofftechnik VDI-Handbuch Werkstof

3、ftechnik VDI-Handbuch Fabrikplanung und -betrieb, Band 1: Betriebsberwachung/Instandhaltung VDI-Handbuch Produktentwicklung und Konstruktion VDI-Handbuch Verfahrenstechnik und Chemieingenieurwesen, Band 3: Verfgbarkeit/Schadensanalyse Frhere Ausgabe: 12.08Entwurf, deutschFormer edition: 12/08 Draft,

4、 inGerman only Vervielfltigung auch fr innerbetriebliche Zwecke nicht gestattet / Reproduction even for internal use not permittedZu beziehen durch / Available atBeuthVerlagGmbH, 10772 BerlinAlleRechtevorbehalten/ All rights reserved VereinDeutscherIngenieuree.V., Dsseldorf 2010Inhalt Seite Contents

5、 Page Vorbemerkung . 2 Einleitung . 2 1 Anwendungsbereich . 3 2 Mechanismus der flssigmetallinduzierten Rissbildung . 3 2.1 Systeme mit Mischungslcke . 5 2.2 Eutektische Systeme 6 2.3 Auswirkungen der Mehrstoffsysteme 7 3 Verfahrenstechnische Einflussgren . 8 3.1 Einflussbereich Werkstoff 8 3.2 Einf

6、lussbereich Konstruktion/Fertigung 8 3.3 Einflussbereich Verzinkerei . 8 3.4 Einfluss der Zinkbadtemperatur . 11 4 Schadensbild der flssigmetall induzierten Rissbildung . 12 4.1 Schadensbild bei aggressiver Schmelze . 14 4.2 Schadensbild bei sehr hohen Bauteileigenspannungen 16 4.3 Schadensbild bei

7、langen Tauchzeiten 18 4.4 Folgeschaden durch feine Anrisse aus dem Verzinkungsprozess . 20 4.5 Verzinkung von Blankstahl 24 4.6 Verzinkungsschaden an gro dimensionierten Schrauben 26 4.7 Verzinkungsschaden nach dem Kaltbiegen 28 4.8 Verzinkungsschaden durch dickere Dimensionierung und hherfesten Wer

8、kstoff . 30 Schrifttum 32 Preliminary note . 2 Introduction 2 1 Scope . 3 2 Mechanism of liquid metal assisted cracking . 3 2.1 Systems with a miscibility gap . 5 2.2 Eutectic systems . 6 2.3 Effects of multi-component systems 7 3 Process-related factors 8 3.1 Impact of the material. 8 3.2 Impact of

9、 construction/manufacturing 8 3.3 Impact of the galvanising plant 8 3.4 Impact of the zinc bath temperature . 11 4 Failure pattern of liquid metal assisted cracking . 12 4.1 Failure pattern of aggressive melt 15 4.2 Failure pattern for very high component residual stress . 17 4.3 Failure pattern res

10、ulting from excess immersion times . 19 4.4 Subsequent damage due to fine cracks resulting from the galvanisation process 21 4.5 Galvanising bright steel 25 4.6 Galvanisation damage to large-dimensional bolts 27 4.7 Galvanisation damage after cold bending . 29 4.8 Galvanisation damage due to larger

11、dimensioning and higher strength materials . 31 Bibliography . 32 B55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCCB7EF8AD9NormCD - Stand 2012-04 2 VDI 3822 Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2010 Blatt 1.6 / Part 1.6Vorbemerkung Der Inhalt dieser Richtlinie ist entstanden unte

12、rBeachtung der Vorgaben und Empfehlungen derRichtlinie VDI 1000. Alle Rechte, insbesondere die des Nachdrucks, derFotokopie, der elektronischen Verwendung und derbersetzung, jeweils auszugsweise oder vollstn-dig, sind vorbehalten. Die Nutzung dieser VDI-Richtlinie ist unter Wah-rung des Urheberrecht

13、s und unter Beachtung derLizenzbedingungen (www.vdi-richtlinien.de), diein den VDI-Merkblttern geregelt sind, mglich. Allen, die ehrenamtlich an der Erarbeitung dieserVDI-Richtlinie mitgewirkt haben, sei gedankt. Eine Liste der aktuell verfgbaren Bltter dieserRichtlinienreihe sind im Internet abrufb

14、ar unterwww.vdi.de/3822. Preliminary note The content of this guideline has been developed in strict accordance with the requirements and rec-ommendations of the guideline VDI 1000. All rights are reserved, including those of reprint-ing, reproduction (photocopying, micro copying), storage in data p

15、rocessing systems and translation, either of the full text or of extracts. The use of this guideline without infringement of copyright is permitted subject to the licensing con-ditions specified in the VDI Notices (www.vdi-richtlinien.de). We wish to express our gratitude to all honorary contributor

16、s to this guideline. A catalogue of all available parts of this series of guidelines can be accessed on the internet at www.vdi.de/3822. Einleitung Im Stahlbau ist das Stckverzinken nach demSchmelztauchverfahren (Feuerverzinken) als Kor-rosionsschutz ein verbreitetes und anerkanntessowie bewhrtes Ve

17、rfahren, das entsprechend hu-fig angewandt wird. Das Verfahren ist in der DINEN ISO 1461 geregelt. Dennoch kommt es immerwieder zu teilweise gravierenden Schadensfllenan feuerverzinkten Bauteilen. Teilweise handelt essich um offensichtliche Schden, wie beispielswei-se das Aufreien von Rohren oder Tr

18、gern. DieseFlle sind noch verhltnismig harmlos, da solcheTeile aufgrund der sichtbaren Risse kaum zumEinsatz kommen. Wenn Anrisse jedoch unerkanntbleiben, ergibt sich eine potenzielle Gefahr. Sieknnen Keime fr Ermdungsanrisse bilden, oderes kommt beim Einbau oder nach dem Einbauunter Lasteinwirkung

19、pltzlich zum Bauteilversa-gen. Die Schdigung findet sich in der Literatur unterverschiedenen Bezeichnungen: flssigmetallinduzierte Rissbildung oder flssig-metallinduzierte Spannungsrisskorrosion Lotbruch oder Ltbruch (Ltrissigkeit) Flssigmetallversprdung (Liquid-Metal-Embrittlement, LME) Die Problem

20、atik der Rissbildung beim Schmelz-tauchverzinken ist seit Langem bekannt und gutdokumentiert. Zahlreiche Einflussgren wurdenbereits untersucht und/oder sind nach wie vor Ge-genstand von Forschungsarbeiten. Introduction Hot dip galvanising is a well-established, recog-nised and widely used means of p

21、roviding corro-sion protection in steel construction. The method is regulated by DIN EN ISO 1461. However, it is not uncommon for hot dip-galvanised components to sustain damage, which in some cases can be seri-ous. Sometimes the damage is obvious; the ruptur-ing of pipes and girders, for example. S

22、uch cases are relatively harmless since the visible cracks ren-der these parts virtually useless. It is when the cracks remain undetected that they are potentially dangerous. They can form the nuclei for fatigue cracks and sudden component failure may occur during or after installation when subject

23、to loading.In the literature this type of damage is designated in various ways: liquid metal assisted cracking (LMAC) or liq-uid metal assisted stress corrosion cracking soldering brittleness liquid metal embrittlement (LME) The problem of cracking during hot dip galvanis-ing has been known about fo

24、r a long time and is well documented. Numerous determining factors have already been explored and/or are still being researched. B55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCCB7EF8AD9NormCD - Stand 2012-04All rights reserved Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2010 VDI 3822 3 Blatt 1.6 / Part 1.61 A

25、nwendungsbereich Die vorliegende Richtlinie soll primr Hinweisefr die Abklrung von Schadensfllen geben.Gleichzeitig kann die Richtlinie gegebenenfallshinsichtlich Qualittssicherungsmanahmen in derbetrieblichen Fertigungskette vom Konstrukteurbis zum Verzinker helfen, kostspielige und mitun-ter gefhr

26、liche Fehler zu vermeiden. Hilfestellungsowie Anleitung zur Vorgehensweise im konkreten Schadensfall knnen der Richtlinie VDI 3822 ent-nommen werden. 1 Scope The primary aim of this guideline is to provide information to help explain the causes of failure. With regard to quality assurance measures i

27、n the manufacturing chain, from the technical designer to the galvaniser, the guideline may also help pre-vent costly and sometimes dangerous errors occur-ring. Support and guidance on dealing with actual examples of failure can be found in guideline VDI 3822. 2 Mechanismus der flssigmetall-induzier

28、ten Rissbildung Beim momentanen Kenntnisstand sind fr die Ent-stehung der flssigmetallinduzierten Rissbildung inerster Linie folgende Parameter von Bedeutung: Werkstoffzustand Beanspruchungszustand Temperatur des Zinkbads Eintauchprozess Verweilzeit in der Schmelze Zinkbadzusammensetzung begrenzte g

29、egenseitige Lslichkeit der Metalle Bild 1 zeigt die Einflussfelder und daraus resul-tierende Gefahrenzone des Lotbruchs im ber-blick. Das Zusammenspiel der verschiedenen Einflussfak-toren ist hnlich wie bei der Spannungsrisskorrosionin Elektrolytlsungen. Die begrenzte Lslichkeit derElemente des Zink

30、bads (Volumendiffusion) fhrt zu einem bevorzugten Eindringen in den Stahl entlangBild 1. Gefahrenzone der flssigmetallinduzierten Rissbildung (Lotbruch) 2 Mechanism of liquid metal assisted cracking Based on our current understanding, the following factors are of primary relevance to the develop-men

31、t of liquid metal assisted cracking: material conditions stress conditions temperature of the zinc bath immersion process residence time in the zinc melt composition of the zinc bath limited mutual solubility of the metals Figure 1 gives an overview of the causal fields and resulting danger zone for

32、 liquid metal assisted cracking. The interaction between the various determining factors is similar to that found in stress corrosion cracking in electrolyte solutions. The limited solu-bility of the zinc bath elements (volume diffusion) leads to a preferred penetration into the steelFigure 1. Dange

33、r zone for liquid metal assisted cracking Temperatur, bei der der Grundwerkstoff fest, das benetzende Lot jedoch flssig istZinkbad(Einfluss von Zink, Legierungs- und Begleitelementen)Zugspannungen (Werkstoff- und Bauteil-eigenspannungen sowie thermisch induzierte Spannungen)LotbruchTemperature, at w

34、hich the base material is solid, whilst the wetting solder is liquidzinc bath(effect of zinc, alloying and accompanying elements)tensile stress (material and componentresidual stress and thermally induced stress)LMEB55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCCB7EF8AD9NormCD - Stand 2012-04 4 VDI 3822 Alle

35、Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2010 Blatt 1.6 / Part 1.6der Korngrenzen, die bevorzugte Diffusionspfadefr die Fremdmetallatome darstellen. Der durchdas Eindringen eines Metalls verursachte Riss wirdfolglich interkristallin ausgebildet und mit Fremd-metall gefllt sein

36、(Bild 2). Grundstzlich kann in Reinzink bei entsprechendhohen Spannungen in Abhngigkeit von den Ver-weilzeiten und hohen Zinkbadtemperaturen, fls-sigmetallinduzierte Rissbildung auftreten. In derPraxis werden aber Legierungselemente zugesetzt,die den Schmelzpunkt herabsetzen. Die Wechsel-wirkung der

37、 einzelnen Legierungselemente hat zurFolge, dass sich sehr tiefschmelzende Phasen bil-den knnen. In Tabelle 1 sind die Schmelzpunkte der wichtigsten Elemente und Mehrstoffsystemezusammengestellt. along the grain boundaries, which represent the preferred diffusion paths for the foreign metal at-oms.

38、The crack induced by metal penetration then propagates in an intercrystalline manner and fills with the foreign metal (Figure 2). In principle, liquid metal assisted cracking can occur in pure zinc at correspondingly high stresses, subject to residence times and high zinc bath tem-peratures. However

39、, in practice alloying elements are added to reduce the melting point. The interac-tion between the individual alloying elements can lead to the formation of very low-melting phases. Table 1 lists the melting points of the most im-portant elements and multi-component systems.Tabelle 1. Schmelzpunkte

40、 Elemente Schmelzpunkt in C Zn 419 Pb 327Bi 271Sn 231 ZnBi 254a)/416 ZnPb 318a)/418 ZnSn 198 ZnAl 381PbSn 183b)SnBi 139b)PbSnBi 95b)a)Mischungslckeb)Eutektikum Table 1. Melting points Elements Melting point in C Zn 419Pb 327Bi 271 Sn 231ZnBi 254a)/416 ZnPb 318a)/418 ZnSn 198 ZnAl 381PbSn 183b)SnBi 1

41、39b)PbSnBi 95b)a)miscibility gap b)eutectic Bild 2. Typische Ausbildung flssigmetallinduzierterRisse (Rckstreuelektronenbild) Figure 2. Typical formation of liquid metal assisted cracks (back-scattered electron image) B55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCCB7EF8AD9NormCD - Stand 2012-04All rights res

42、erved Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2010 VDI 3822 5 Blatt 1.6 / Part 1.62.1 Systeme mit Mischungslcke (Bild 3 bis Bild 4) 2.1 Systems with a miscibility gap (Figure 3 to Figure 4) Bild 3. System ZnBi Figure 3. ZnBi system Temperatur / Temperature inC700600500419,58400300200800904900100

43、0(Zn)(Pb)Temperatur /Temperaturein CAtomprozent / atomic percent PbGewichtsprozent / weight percent Pb0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100798 C55417,8 C318,2 C0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000,9985327,502 CL1+ L2L1L2GG + LBild 4. System ZnPb Figure 4. ZnPb system B55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCCB7

44、EF8AD9NormCD - Stand 2012-04 6 VDI 3822 Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2010 Blatt 1.6 / Part 1.62.2 Eutektische Systeme (Bild 5 bis Bild 8) 2.2 Eutectic systems (Figure 5 to Figure 8) Bild 5. System ZnSn Figure 5. ZnSn system Temperatur / Temperature in C0 10 20

45、30 40 50 60 70 80 90 100Temperatur / Temperature in C7006005004003002001008000Atomprozent / atomic percent AlGewichtsprozent / weight percent Al0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100(Zn)(Al)L277 C381 C351,5 C660,452 CBild 6. System ZnAl Figure 6. ZnAl system B55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCCB7EF8AD9N

46、ormCD - Stand 2012-04All rights reserved Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2010 VDI 3822 7 Blatt 1.6 / Part 1.6Bild 7. System PbSn Figure 7. PbSn system 3002001000700 F500 F300 F100 FAtomprozent / atomic percent SnGewichtsprozent / weight percent Sn0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1004000 10 2

47、0 30 40 50 60 70 80 90 10019327,502183 61,9 2,5231,96813L(-Sn)(-Sn)(Pb)Bild 8. System SnBi Figure 8. SnBi system Temperatur / Temperature in C2.3 Auswirkungen der Mehrstoffsysteme Als Extrembeispiel zeigt Bild 9 das Dreistoffsys-tem Blei-Wismut-Zinn, welches ein ternres Eu-tektikum mit einem Schmelz

48、punkt von 95 C aus-bildet. In den Rissspitzen knnen durch die verschiedenen Lslichkeiten der einzelnen Badlegierungsbestand-teile im festen Stahl die Elemente unterschiedlichangereichert werden. Die tiefen Schmelzpunktesorgen unter Umstnden fr eine lange Aktivitt ander Rissspitze. Im realen Zinkbad

49、sind die Verhlt-nisse unter anderem aufgrund der Temperaturgra-dienten und der Baddynamik sowie weiterer Legie-rungselemente (Al, Ni etc.) zustzlich verkompli-ziert. Im typischen Temperaturbereich der Feuerverzin-kung um 450 C ist bei Eisenbasiswerkstoffenzudem eine ausgeprgte Verringerung ihrer Festig-keitseigenschaften zu bercksichtigen. Durch Um-lagerungen von Eigenspannungen kann es in Ve