Ein Prüfprotokoll, das „alles bestanden“ hat

Ein vertrautes Szenario: Eine Charge M12 der Festigkeitsklasse 10.9 trifft ein, das beiliegende Prüfprotokoll zeigt ein Dutzend Werte, alle bestanden – doch nach drei Monaten Einsatz brechen sie. Zieht man das Protokoll erneut heran, stellt man fest, dass das Protokoll keinen Keilzugversuch durchgeführt und die ungenutzte Gewindelänge nicht geprüft hat – und genau diese beiden sind der Schlüssel zur Beurteilung der Qualität dieser Charge.

Das Problem liegt im Verständnis der Norm. GB/T 3098.1-2010 (Mechanische Eigenschaften von Verbindungselementen – Schrauben, Schrauben und Bolzen) definiert mechanische Eigenschaften nicht als einen einzelnen Kennwert, sondern als einen Satz von Kennwerten, die verschiedenen Versagensarten entsprechen. Nur wer versteht, vor welchem Versagen jeder Kennwert schützt, kann beurteilen, ob ein Protokoll das tatsächliche Risiko abdeckt.

Kategorie 1: Festigkeitskennwerte

Festigkeitskennwerte beantworten: Wie viel Kraft hält diese Schraube aus?

Beachten Sie die Bezeichnung von R_pf: es ist nicht die übliche 0,2 %, sondern 0,0048d (d ist der Nenndurchmesser des Gewindes). Für eine M10-Schraube sind das 48 μm bleibende Dehnung – die plastische Dehnung, die eine Verbindung verträgt, ist naturgemäß klein, weshalb die Norm die Streckgrenze mit einem strengeren Kriterium als 0,2 % definiert.

Auch die Bedeutung der Ziffern der Festigkeitsklasse ist merkenswert: die „10“ bei Klasse 10.9 bedeutet ein Hundertstel der Zugfestigkeit, mit einem Qualifikationsbereich von 1040–1240 MPa; die „9“ bedeutet, dass das Streck-/Zug-Verhältnis etwa 0,9 beträgt, also R_pf ≥ 940 MPa. Für Klasse 8.8 beträgt R_m 800–965 MPa und R_pf ≥ 640 MPa.

Kategorie 2: Duktilitätskennwerte

Duktilitätskennwerte beantwortet: Bricht diese Schraube plötzlich spröd?

Diese beiden Kennwerte werden bei der Auswahl oft übersehen, spiegeln aber direkt die Zähigkeit wider. GB/T 3098.1 verlangt für Klasse 8.8 (M16 und größer) eine Bruchdehnung von nicht weniger als 12 % und eine Brucheinschnürung von nicht weniger als 48 %; für Klasse 10.9 liegen die Anforderungen bei 9 % bzw. 48 %. Je höher die Festigkeitsklasse, desto milder die Dehnungsanforderung, doch der Absolutwert bleibt über 9 % – dies ist das Sicherheits-Fundament.

Kategorie 3: Funktionskennwerte

Dies ist die Kategorie, die bei der Prüfung am häufigsten fehlt, und zugleich die Hauptursache von Feldausfällen.

Keilzugversuch

Unter dem Schraubenkopf wird ein Keilwinkelstück platziert, bevor Zug aufgebracht wird, sodass die Schraube gleichzeitig Zug und Biegung trägt. Die Kernzwecke sind zweifach:

• Die Kopf-Schaft-Übergangszone nachweisen: der Bruch muss im Schaft oder im ungenutzten Gewinde erfolgen, niemals in der Kopf-Übergangszone.
• Geringe Zähigkeit aufdecken: Schrauben mit unzureichender Zähigkeit brechen unter überlagerter Biegung eher spröd.

Ungenutzte Gewindelänge

Die Norm verlangt, dass die Gewindelänge einen ungenutzten Abschnitt von nicht weniger als 1d freilässt. Dieses ungenutzte Gewinde ist ein bewusst gestalteter Nachgiebigkeitsabschnitt: es gibt der Schraube unter Last eine Pufferzone und verhindert, dass sich die gesamte Spannung am Gewindefuß konzentriert. Ist das Gewinde zu lang ausgeführt, sinkt die Schrauben-Nachgiebigkeit und die Ermüdungslebensdauer nimmt deutlich ab.

Entkohlungsschicht

Eine Entkohlungsschicht auf der Gewindeoberfläche verringert Oberflächenhärte und Dauerfestigkeit erheblich. Die Norm legt fest, dass auf dem Querschnitt des ungenutzten Gewindes eine vollständige Entkohlungsschicht nicht zulässig ist, und die Tiefe einer teilweisen Entkohlungsschicht eine klare Obergrenze hat: Klasse 8.8 verlangt, dass sowohl voll- als auch teilentkohlte Schichten nicht größer als 1/2 H₁ sind; Klasse 10.9 verlangt, dass die teilentkohlte Schicht nicht größer als 1/3 H₁ ist (H₁ ist die Gewindezahnhöhe); Klasse 12.9 erlaubt keine vollentkohlte Schicht. Je höher die Klasse, desto strenger die Kontrolle, da die Ermüdungslebensdauer hochfester Schrauben empfindlicher auf den Oberflächenzustand reagiert.

Datenvergleich der Festigkeitsklassen

Die am häufigsten verwendeten Klassen sind nachfolgend zusammengefasst:

Prüfposten auf Versagensarten abbilden

Verbindet man Normabschnitte mit Versagensarten, entsteht eine praktische Prüffeld-Planungstabelle:

Fazit: Von „Werte bestanden“ zu „Risiko abgedeckt“

Der Wert von GB/T 3098.1 liegt nicht in der Vorgabe einer Zahlenreihe, sondern darin, dass ihre drei Kennwertkategorien drei verschiedene Versagensrisiken abdecken: Festigkeit schützt vor Überlastung, Duktilität schützt vor Sprödbruch, und Funktionskennwerte schützen vor Ermüdung und Fertigungsfehlern. Solange der Leser versteht, wovor jeder Kennwert schützt, kann er beurteilen, ob diese Charge Schrauben für kritische Positionen geeignet ist.

Für Verbindungselement-Lieferanten bedeutet dies zudem eine Höherstufung der Lieferfähigkeit: die Bereitstellung vollständiger Leistungskennwerte einschließlich Keilzug, Entkohlungsschicht und Prüflast – statt nur eines Zugdatenblatts – ist die Grundlage, um Projekte mit hoher Sicherheitsklasse zu qualifizieren.