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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs
1.
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Für die Konstruktion
von mehrteiligen Maschinen, Fahrzeugen und dergleichen ist es erforderlich,
die Betriebsfestigkeit von die einzelnen Teile zusammenhaltenden
Verbindungen unter den bei der bestimmungsgemäßen Verwendung auftretenden Belastungen
zu ermitteln, um ein frühzeitiges
Versagen auszuschließen.
Die Verbindungen sollten daher aus einem solchen Werkstoff bestehen
und/oder so dimensioniert sein, daß sie unter betriebsmäßigen Bedingungen
eine Lebensdauer von beispielsweise mindestens 30 Jahren haben.
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Die
Dauerfestigkeit von Verbindungen kann anhand von Wöhler-Kurven
ermittelt werden. Bei dieser Prüfung
wird die Verbindung einer bestimmten wiederholten mechanischen Belastung
unterzogen und es wird empirisch die Zahl der Belastungszyklen bis
zur Zerstörung
der Verbindung festgestellt. Die Wöhler-Kurve gibt dann die jeweilige
Anzahl der Belastungszyklen bis zur Zerstörung in Abhängigkeit von der Größe der wiederholten
Belastung an. Je kleiner die Belastung ist, desto geringer wird
die Abhängigkeit
der Belastungsdauer von dieser. Stahlwerkstoffe, die etwa 2 × 106 Be lastungszyklen widerstanden haben, werden
bei gleichbleibender Belastung auch nach weiteren Zyklen nicht zerstört, so daß Dauerfestigkeit
angenommen werden kann. Bei Aluminiumwerkstoffen beginnt die Dauerfestigkeit
nach etwa 107 Belastungszyklen.
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Die
Dauerfestigkeit einer Verbindung bzw. die maximale Belastung einer
Verbindung, ohne daß diese
auch nach langer Zeit zerstört
wird, läßt sich
für nichtkorrodierte
Materialien auf diese Weise in relativ kurzer Zeit feststellen.
Schwierigkeiten treten dagegen auf, wenn die Dauerfestigkeit von
korrosionsanfälligen
Verbindungen, die während
ihrer bestimmungsgemäßen Verwendung
einer bestimmten korrodierenden Umgebung ausgesetzt werden, ermittelt werden
soll. Die Korrosion kann die Dauerfestigkeit in erheblichem Maße beeinflussen.
Zur Erfassung der Wirkung der Korrosion auf die Haltbarkeit einer
Verbindung wurden bisher nur bestimmte korrodierende Umgebungen
verwendet, wobei insbesondere der Salzsprühnebeltest durchgeführt wird,
bei dem eine 3%ige NaCl-Lösung
in Luft versprüht
wird, während die
Verbindung der wiederholten mechanischen Belastung ausgesetzt wird.
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Diese
Untersuchungen haben jedoch den Mangel, daß sie eine Extrapolation der
ermittelten Werte auf einen Zeitraum von beispielsweise 30 Jahren
nicht zulassen, d.h. daß eine
Bestimmung der Dauerfestigkeit in einer zumutbaren Zeitspanne nicht möglich ist.
Außerdem
finden sie in standardisierten korrodierenden Umgebungen statt,
die den tatsächlichen
Umgebungen häufig
in keiner Weise gerecht werden, so daß die ermittelten Ergebnisse
unbrauchbar sind.
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Aus
der
DE 89 02 058 U1 ist
ein Verfahren zum Ermitteln der Dauerfestigkeit (Zug-Druck-Schwingfestig keit)
metallischer Werkstoffe, welche in einer bestimmten korrodierenden Umgebung
vorgegebenen wiederholten mechanischen Belastungen ausgesetzt sind,
ersichtlich.
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Außerdem ist
in der Druckschrift DE-OS 16 73 274 ein Verfahren zum Bestimmen
der Dauerfestigkeit dickwandiger Halbzeuge, welche in einer bestimmten
korrodierenden Umgebung einer mechanischen Belastung (Zugspannung)
ausgesetzt werden, beschrieben.
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Des
Weiteren ist in der
KR
101995006164 B1 (in: Korean Patent Abstracts, 1997 KIPO)
ein Verfahren zur Bestimmung der Spannungsrisskorrosionsempfindlichkeit
von witterungsbeständigem
Stahl beschrieben, bei dem zwei Probestücke Biegeprüfungen unterworfen werden,
dann eines der beiden Probestücke
einer bestimmten korrodierenden Umgebung (Salzsprühtest) ausgesetzt
wird, dann bei beiden Probestücken
ein Zugversuch durchgeführt wird
und aus dem Vergleich der beiden Untersuchungen die Spannungsrisskorrosionsempfindlichkeit
ermittelt wird.
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Es
ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren
zum Ermitteln der Dauerfestigkeit einer korrosionsanfälligen Verbindung
zwischen mindestens zwei Konstruktionsteilen, welche während ihrer
bestimmungsgemäßen Verwendung einer
bestimmten korrodierenden Umgebung sowie einer vorgegebenen wiederholten
mechanischen Belastung ausgesetzt ist, unter Verwendung von die Größe der wiederholten
Belastung in Abhängigkeit von
der Anzahl der Lastwiederholungen bis zur Zerstörung der Verbindung darstellenden
Diagrammen (Wöhler-Kurven),
in der Weise zu verbessern, daß die
tatsächlichen
Korrosionsbedingungen stärker
berücksichtigt
werden und auch eine Extrapolation der gemessenen Werte möglich ist,
so daß innerhalb
relativ kurzer Zeit herausgefunden werden kann, ob eine bestimmte
Verbindung einer bestimmten Belastung in einer bestimmten korrodierenden
Umgebung über
einen Zeitraum von beispielsweise 30 Jahren standhält oder
nicht.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale.
Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich
aus den Unteransprüchen.
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Dadurch,
daß zunächst eine
belastungsfreie Vorkorrosion der Verbindung in einer der bestimmten korrodierenden
Umgebung entsprechenden Umgebung während einer Zeit durchgeführt wird,
nach der die Dauer der Vorkorrosion praktisch keinen Einfluß mehr auf
den Verlauf einer nachfolgend aufgenommen Wöhler-Kurve hat, und daß anschließend die vorkorrodierte
Verbindung ebenfalls in einer der bestimmten korrodierenden Umgebung
entsprechenden Umgebung einer vorgegebenen wiederholten mechanischen
Belastung zur Aufnahme einer Wöhler-Kurve
bis zum Erreichen der Dauerfestigkeit unterzogen wird, wird, bevor
der eigentliche Belastungstest erfolgt, die Verbindung bereits in
einen derartigen Korrosionszustand gebracht, daß eine zusätzliche Korrosion keine weitere
Verschlechterung der Festigkeit der Verbindung mehr mit sich bringt, d.h.
bevor der Belastungstest beginnt, ist bereits der für die Festigkeit
ungünstigste
Korrosionszustand erreicht. Es hat sich überraschend gezeigt, daß dieser Zustand
nach relativ kurzer Zeit erhalten werden kann. Weiterhin kann dadurch,
daß für die Vorkorrosion
eine korrodierende Umgebung gewählt
wird, die der korrodierenden Umgebung, welcher die Verbindung während ihrer
bestimmungsgemäßen Verwendung
ausgesetzt ist, entspricht, eine der Korrosion im tatsächlichen
Betrieb entsprechenden Korrosion simuliert werden, so daß zuverlässigere
Werte erhalten werden. Bei dem nachfolgenden Belastungstest werden
den Wöhler-Kurven
bei nichtkorrodierten Verbindungen entsprechende Wöhler-Kurven
erhalten, so daß eine
Extrapolation auf eine Dauerfestigkeit ohne Schwierigkeiten möglich ist.
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Vorzugsweise
wird die Vorkorrosion bei einer gegenüber der Raumtemperatur erhöhten Temperatur
durchge führt.
Hierdurch wird eine Beschleunigung der Korrosion bzw. eine Verkürzung der
Vorkorrosionszeit erzielt; beispielsweise kann bei einer Temperatur
von 60°C
die Vorkorrosionszeit auf etwa 1 / 10 gegenüber der bei Raumtemperatur
verkürzt
werden.
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand von in den Figuren dargestellten
Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es
zeigen:
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1 ein
Probestück,
an welchem die Untersuchungen durchgeführt wurden,
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2 einen
schematischen Schnitt durch einen Eisenbahnwaggon, für den mehrere
unterschiedliche Korrosionszonen definiert sind,
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3 ein
Diagramm mit Wöhler-Kurven
für unterschiedliche
Korrosionsmedien während
des Belastungstests,
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4 und 5 Diagramme,
welche die Abhängigkeit
der Dauerfestigkeitsbelastungen von der Vorkorrosionszeit für verschiedene
Vorkorrosionsmedien illustrieren, und
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6, 7 und 8 Diagramme,
welche Wöhler-Kurven
von Proben mit unterschiedlich langer Vorkorrosionszeit und unterschiedlichen
Korrosionsmedien illustrieren.
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Das
Probestück
nach 1 besteht aus zwei U-Stücken 1 und 2,
die in ihrem Mittelsteg jeweils eine Bohrung 3 aufweisen.
Durch Aneinanderlegen der Mittelstege können die Bohrungen 3 miteinander
zur Deckung gebracht werden, so daß beispielsweise ein Niet oder
eine Schraube durch sie hindurchgeführt werden und die beiden U-Stücke 1 und 2 miteinander
verbinden kann. Für
die nachfolgend beschriebenen Untersuchungen wurden jeweils Niete
als Verbindungen verwendet. Bohrungen 4 in den Schenkeln
der beiden U-Stücke 1 und 2 dienen als
Angriffspunkt für
die auf die Verbindung auszuübenden
wiederholten Kräfte.
Die Beanspruchung besteht in einer Scherkraft.
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Es
wurde die Festigkeit von Verbindungen, die in einem Eisenbahnwaggon
einzusetzen sind, geprüft.
Um die tatsächlichen
Korrosionsverhältnisse nachzubilden,
wurden 4 Korrosionszonen definiert, welche im Betrieb unterschiedlichen
Korrosionsmedien ausgesetzt sind. Wie 2 zeigt,
befinden sich die Zonen I und II innerhalb und die Zonen III und
IV außerhalb
des Waggons. Die Zone I umfaßt
den Innenraum des Waggons mit Ausnahme des Bodenbereichs. Hier sind
die Korrosionsmedien die Luftfeuchtigkeit und das daraus gebildete
Kondensat; die Zone II umfaßt
den Bodenbereich des Innenraums, in welchem die Korrosionsmedien
ebenfalls Feuchtigkeit und deren Kondensat sowie zusätzlich das
verwendete Bodenreinigungsmittel sind. Die Zone III befindet sich
außerhalb
des Waggons in dessen Dach- und
Unterrahmenbereich, während
die Zone IV auf der Außenseite
der Waggonseiten und des Bodenbereichs liegt. Die Zonen III und
IV sind einer wesentlich stärkeren
Korrosion unterworfen als die Zonen I und II, da sie zusätzlich Schadstoffen
in der Luft (SO2, NOx,
Salzen wie NaCl, saurem Regen, Bremsstaub und dergleichen) ausgesetzt
sind und auch mit schärferen Reinigungsmitteln
behandelt werden. Dabei ist die mechanische Bearbeitung bei der
Reinigung in der Zone IV intensiver als in der Zone III. Die Reinigungsmittel
können
sauer oder alkalisch sein. Dabei wurden die untersuchten Verbindungen
den Reinigungsmitteln im Gegensatz zu den anderen korrodierenden
Medien nur zeitweise ausgesetzt, um die tatsächlichen Verhältnisse
besser nachzubilden.
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Es
wurden zunächst
Belastungstests bei Verbindungen aus verschiedenen Materialien ohne Vorkorrosion
durchgeführt. 3 zeigt
die Ergebnisse für
zu verbindende Werkstücke
und diese verbindende Nieten jeweils aus AlMgSi 0.7 F26 (Al mit 0,6%
Si; 0,18% Fe; 0,13% Cu; 0,68% Mg; im Folgenden als "Aluminiumverbindung" bezeichnet).
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Die
Belastungstests erfolgten unter der Einwirkung jeweils eines korrodierenden
Mediums, nämlich
Wasser, saurem Reiniger, alkalischem Reiniger und 3%iger NaCl-Lösung, die üblicherweise
als Standardmedium für
Korrosionstests verwendet wird. Die Versuche wurden bei 60°C vorgenommen,
wobei das korrodierende Medium in einem Kreislauf geführt und auf
die Teststücke
gesprüht
oder die Teststücke
in dieses eingetaucht wurden.
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Die
Anzahl der Belastungszyklen betrug 107, wobei
diese mit einer Frequenz von 30 bis 40 Hz auf die Teststücke einwirkten.
Das Belastungsverhältnis wurde
auf 0,5 eingestellt, d.h. der obere Belastungspunkt lag beispielsweise
bei 20 kN, der untere Belastungspunkt bei 10 kN bei einer Amplitude
von 5 kN.
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Die
erhaltenen Ergebnisse zeigen, daß die Streuung der Werte für Luft und
Wasser sehr gering und für
die anderen korrodierenden Medien aufgrund des inhomogenen Korrosionsangriffs
deutlich größer ist. 3 zeigt
die aus jeweils sieben Meßpunkten gemittelten
Geraden.
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Der
Vergleich der Geraden in 3 ergibt, daß die NaCl-Lösung und
der alkalische Reiniger die Festigkeit der Verbindung am stärksten beeinträchtigen.
Hinsichtlich der zu erwartenden Lebensdauer ergibt sich ein Unterschied
von einer Größenordnung zwischen
einer nur Wasser ausgesetzten Verbindung und einer einem alkalischen
Reiniger oder einer NaCl-Lösung
ausgesetzten Verbindung.
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Die 4 und 5 zeigen
den Einfluß der Vorkorrosionsdauer
auf die Dauerfestigkeit einer Aluminiumverbindung. Bei den in 4 dargestellten Ergebnissen
erfolgte die Vorkorrosion in feuchter (90%) Luft mit Kondensatbildung
bei 60°C
und die Belastungsdauer betrug 107 Zyklen.
Die aus 5 ersichtlichen Ergebnisse beruhen
auf einer Vorkorrosion in einer SO3-haltigen Atmosphäre bei 90%
Luftfeuchte bei 60°C
sowie unter dem Einfluß von
sauren und alkalischen Reinigern und einer Belastungsdauer von 107 Zyklen. Die jeweiligen Meßpunkte
stellen die maximale Festigkeit nach der jeweiligen Belastungsdauer
für eine
vorgegebene Vorkorrosionsdauer dar.
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Die
Vorkorrosion für
die Versuche gemäß 4 wurde
unter den vorstehend geschilderten Bedingungen durchgeführt, wobei
die Einwirkung der feuchten Luft (90% Feuchtigkeit) bei 60°C erfolgt. Dabei
wurde die Temperatur abwechselnd für jeweils zwei Stunden auf
60°C und
50°C gehalten,
um auch den Einfluß einer
Kondensation der Luftfeuchtigkeit zu erfassen.
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Wenn
die für
60°C erhaltenen
Werte auf eine den tatsächlichen
Verhältnissen
eher entsprechende Temperatur von 25°C extrapoliert werden, erhält man eine
ca. 10fache Vorkorrosionsdauer. Dies ergibt sich aus dem Arrhenius'schen Gesetz, wonach
sich die Korrosionsgeschwindigkeit bei jeweils einer Temperaturzunahme
von 10°C
um den Faktor 2 erhöht.
Eine Korrosionsdauer von beispielsweise 100 Stunden bei 60°C entspricht
somit einer Korrosionsdauer von 1000 Stunden bei 25°C.
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Die
dargestellten Ergebnisse zeigen, daß die Dauerfestigkeit mit zunehmender
Vorkorrosionsdauer nicht stetig abfällt, sondern daß überraschenderweise
von einer bestimmten Vorkorrosionsdauer an die Dauerfestigkeit zumindest
annähernd
konstant bleibt. Daß der
Dauerfestigkeitswert in 4 für 1000 Stunden etwas höher liegt
als für
300 Stunden und in 5 für 1000 Stunden und 300 Stunden
höher liegt
als für
100 Stunden, beruht jedoch nicht darauf, daß die Dauerfestigkeit tatsächlich wieder
zunimmt, sondern auf der relativ großen Streuung der Meßwerte.
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Es
ist jedoch eindeutig erkennbar, daß bei einer Vorkorrosion in
feuchter Luft oberhalb einer Dauer von 300 Stunden kein merkbares
Absinken der Dauerfestigkeit mehr erfolgt und bei einer Vorkorrosion
in einer SO2-haltigen Atmosphäre bei 90%
Feuchte mit Kondensatbildung sowie unter Einfluß von sauren und alkalischen
Reinigern dieser Effekt schon nach 100 Stunden eintritt. Es ist
somit möglich,
schon nach relativ kurzer Zeit die Wirkung der Korrosion auf die
Dauerfestigkeit einer Verbindung für deren vorgesehene Lebensdauer,
z.B. 30 Jahre zu ermitteln. Hierbei kann, wie dargestellt, die Versuchsdauer durch
eine Erhöhung
der Temperatur erheblich verkürzt
werden.
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Die 6, 7 und 8 schließlich illustrieren
Wöhler-Kurven für Aluminiumverbindungen für unterschiedliche
korrodierende Medien und unterschiedliche Vorkorrosionsdauern. 6 bezieht
sich auf eine Vorkorrosion in einer Innenraum-Atmosphäre bei 60°C bei 90%
Feuchte mit Kondensatbildung und einen Belastungstest in Wasser
bei 60°C, 7 auf
eine Vorkorrosion unter Einfluß einer
SO2-haltigen Atmosphäre bei 60°C bei 90% Feuchte und von aufgesprühten alkalischen
und sauren Reinigern bei 60°C
und einem Belastungstest in flüssigem
alkalischem Reiniger bei 25°C,
und 8 schließlich
auf eine Vorkorrosion unter Einfluß einer aufgesprühten 3%igen
NaCl-Lösung
bei 60°C
und einem Belastungswert in 3%iger NaCl-Lösung bei 25°C. Die Korrosionsbedingungen
in 6 entsprechen etwa denjenigen in Zone I gemäß 2 und
diejenigen in 7 denjenigen in den Zonen III
und IV. Die Kurven in jeweils einer Figur wurden für nicht
vorkorrodierte und für
einer Vorkorrosionsdauer von 100 Stunden, 300 Stunden sowie 1000
Stunden unterzogene Verbindungen erhalten.
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Aus 6 ist
ersichtlich, daß mit
zunehmender Dauer der Vorkorrosionszeit die Dauerfestigkeit abnimmt,
daß diese
Tendenz jedoch nur bis etwa 300 Stunden anhält und die Dauerfestigkeit
dann von der Vorkorrosionszeit weitgehend unabhängig ist. Die bei längeren Vorkorrosionszeiten
festzustellende relativ starke Streuung ergibt sich vermutlich durch
lokale Angriffe, die bei den einzelnen Teststücken unterschiedlich sein können.
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Zur
Ermittlung der Dauerfestigkeit einer Aluminiumverbindung reicht
es bei den geschilderten Korrosionsbedingungen somit aus, die Vorkorrosionszeit
auf 300 Stunden zu beschränken.
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7 zeigt,
daß die
Dauerfestigkeitswerte deutlich niedriger liegen als bei der 6.
Auch hier ist jedoch offensichtlich und noch deutlicher erkennbar,
daß nur
eine kurze Vorkorrosionsdauer erforderlich ist, um die Dauerfestigkeit
einer Verbindung unter den angegebenen Korrosionsbedingungen zu
bestimmen. Hier liegt die Wöhler-Kurve
für eine
Vorkorrosionszeit von 100 Stunden sogar niedriger als für 300 Stunden
und selbst 1000 Stunden. Dies ist jedoch wieder auf die Streuung
der Meßwerte
zurückzuführen. Grundsätzlich läßt sich
feststellen, daß hier sogar
eine Vorkorrosionszeit von 100 Stunden bei 60°C ausreicht, um die Dauerfestigkeit
einer Aluminiumverbindung zu ermitteln.
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Ähnliche
Werte zeigt auch die 8, wo anstelle eines alkalischen
Reinigers eine 3%ige NaCl-Lösung
als Korrosionsmedium verwendet wird, in welche das Teststück während des
Belastungstests eingetaucht wird. Auch hier decken sich die Wöhler-Kurven
für die
Vorkorrosionszeiten von 100 Stunden, 300 Stunden und 1000 Stunden
weitgehend, so daß die
Vorkorrosion ebenfalls nach 100 Stunden abgebrochen werden kann,
da eine längere Dauer
keine weitergehenden Erkenntnisse über die Dauerfestigkeit bringt.
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Es
wurden auch Versuche mit Verbindungen aus rostfreiem Stahl durchgeführt, die
in der Tendenz die gleichen Ergebnisse zeigten. Da jedoch der Einfluß der Korrosion
bei Aluminiumverbindungen deutlich stärker als bei Stahlverbindungen
ist, erfolgte die Beschreibung der Ausführungsbeispiele zur Erläuterung
der Erfindung auf der Grundlage von Aluminiumverbindungen.
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Das
vorbeschriebene Verfahren ermöglicht es,
den Einfluß einer
Korrosion auf die Festigkeit einer Verbindung innerhalb relativ
kurzer Zeit so zu bestimmen, daß eine
Extrapolation auf eine Dauerfestigkeit, d.h. auf 30 Jahre und darüber möglich ist. Durch
Verwendung von korrodierenden Medien, die den im tatsächlichen
Betrieb auf die Verbindung einwirkenden Medien weitgehend entsprechen,
kann die Genauigkeit der Bestimmung noch erhöht werden. Das Verfahren ist
daher eine wertvolle Hilfe für die
Konstruktion von Verbindungen, die eine vorgegebene Lebensdauer
erreichen sollen, wenn bekannt ist, welchen mechanischen Belastungen
und welcher korrodierenden Umgebung sie während ihrer späteren Verwendung
ausgesetzt sind.