Säurebrüchigkeit in Stahl: Erkennung, Ursachen und Prävention

Definition und Grundbegriff

SAcid-Brittlness ist eine spezifische Form der Sprödigkeit von Stahl, die durch einen plötzlichen Verlust von Duktilität und Zähigkeit gekennzeichnet ist, wenn der Stahl sauren Umgebungen ausgesetzt wird oder saure Prüfbewertungen durchläuft. Sie äußert sich als Neigung zu sprödem Bruch, oft begleitet von einem deutlichen Rückgang der plastischen Verformung vor dem Versagen. Dieses Phänomen ist in der Qualitätskontrolle von Stahl entscheidend, da es die Zuverlässigkeit, Sicherheit und Leistung des Materials in korrosiven oder sauren Umgebungen direkt beeinflusst.

Fundamental spiegelt die Acid-Brittleness die Anfälligkeit des Stahls für Umweltsprödigkeitsmechanismen wider, wo die Anwesenheit von Säuren oder Säuredämpfen mit der Mikrostruktur interagiert, die interatomaren Bindungen schwächt und die Rissinitiierung und -ausbreitung erleichtert. Es ist ein bedeutendes Anliegen in Branchen wie der chemischen Verarbeitung, Öl und Gas sowie bei strukturellen Anwendungen, in denen Stähle sauren Bedingungen ausgesetzt sind oder Tests durchlaufen, die solche Umgebungen simulieren.

Im weiteren Rahmen der Qualitätssicherung von Stahl dient die Acid-Brittleness als Indikator für die Widerstandsfähigkeit des Stahls gegen Umweltschäden und mechanische Integrität unter korrosiven Bedingungen. Sie wird häufig durch spezialisierte Prüfverfahren bewertet, die darauf ausgelegt sind, die Säurebelastung zu simulieren, und somit Einblicke in die Haltbarkeit und Sicherheitsmargen des Materials bieten.

Physikalische Natur und Metallurgische Grundlage

Physikalische Manifestation

Auf makroskopischer Ebene zeigt sich die Acid-Brittleness als spröde Bruchfläche, die durch ein granuläres oder intergranulares Aussehen gekennzeichnet ist, oft mit wenig bis keiner plastischen Verformung vor dem Versagen. Bruchflächen zeigen typischerweise Merkmale wie Spaltflächen, intergranulare Risse oder eine Kombination davon, was auf einen spröden Versagensmodus hinweist.

Auf mikroskopischer Ebene weisen säurebrüchige Stähle mikrostrukturelle Merkmale wie Mikrorisse entlang der Korngrenzen, lokale Abnahme von Legierungselementen an den Korngrenzen oder das Vorhandensein von sekundären Phasen auf, die die Rissinitiierung begünstigen. Bei mikroskopischer Untersuchung können intergranulare Bruchwege, Mikrovakuolen oder Korrosionsgruben beobachtet werden, die als Rissinitiierungsstellen dienen.

Metallurgischer Mechanismus

Der zugrunde liegende metallurgische Mechanismus der Acid-Brittleness betrifft die Wechselwirkung zwischen Säurearten und der Mikrostruktur des Stahls, was zu lokalisierter Korrosion oder chemischem Versagen an kritischen Stellen wie Korngrenzen oder Phasengrenzen führt. Die Säureexposition kann selektives Auslaugen von Legierungselementen wie Chrom, Molybdän oder Kohlenstoff verursachen, was zu mikrogalvanischen Zellen führt, die intergranulare Korrosion fördern.

Diese lokale Korrosion schwächt die Kohäsion zwischen den Körnern und reduziert die Zähigkeit und Duktilität des Stahls. Darüber hinaus können saure Umgebungen das Eindringen von Wasserstoff erleichtern, was den Stahl weiter spröde macht, indem es wasserstoffinduzierte Rissbildung oder einen erhöhten Druck innerhalb von Mikrovakuolen fördert.

Die Stahlzusammensetzung beeinflusst die Anfälligkeit: niedriglegierte oder hochkohlenstoffhaltige Stähle mit groben Mikrostrukturen sind anfälliger für Acid-Brittleness, insbesondere wenn sie Verunreinigungen oder nichtmetallische Einschlüsse enthalten, die als Initiierungsstellen für Korrosion wirken. Verarbeitungsbedingungen wie unsachgemäße Wärmebehandlung, Restspannungen oder unzureichender Oberflächenschutz können das Phänomen verschärfen.

Klassifizierungssystem

Die standardisierte Klassifizierung der Acid-Brittleness erfolgt häufig anhand von Schweregraden basierend auf Testergebnissen, die typischerweise wie folgt kategorisiert werden:

• Grad 0 (Keine Acid-Brittleness): Der Stahl zeigt nach Säureexposition keinen spröden Bruch oder signifikanten Verlust der Duktilität.
• Grad 1 (Leichte Acid-Brittleness): Geringe Reduzierung der Duktilität, mit einigen beobachtbaren intergranularen Rissen.
• Grad 2 (Mäßige Acid-Brittleness): Deutliche Sprödigkeit mit erkennbarem intergranularem oder transgranularem Riss, reduzierte Zähigkeit.
• Grad 3 (Schwere Acid-Brittleness): Starker Rückgang der Duktilität, mit sprödem Bruch, der bei niedrigen Spannungsniveaus auftritt.

Diese Klassifizierungen helfen bei praktischen Entscheidungsfindungen, wie Akzeptanzkriterien für Stahlprodukte und leiten Prozessverbesserungen zur Minderung der Anfälligkeit.

Erkennungs- und Messmethoden

Primäre Erkennungstechniken

Die Hauptmethoden zur Erkennung von Acid-Brittleness umfassen mechanische Tests in Kombination mit mikroskopischen Untersuchungen:

• Fallgewichtstest: Stahlproben werden nach der Säureexposition einer Schlagbelastung ausgesetzt. Sprödes Versagen weist auf Anfälligkeit hin.
• Kerbzugversuch: Eine Probe mit einer vorgefrästen Kerbe wird in Säure eingetaucht und dann bis zum Bruch gezogen. Sprödes Versagen bei geringer Dehnung zeigt Acid-Brittleness an.
• Microstrukturanalyse: Optische Mikroskopie und Rasterelektronenmikroskopie (REM) werden verwendet, um intergranulare Risse, Korrosionsgruben oder Phasenänderungen, die auf Sprödigkeit hinweisen, zu identifizieren.

Das physikalische Prinzip, das diesen Methoden zugrunde liegt, ist, dass sprödes Versagen mit minimaler plastischer Verformung auftritt, und mikroskopische Merkmale das Ausmaß der mikrostrukturellen Schädigung zeigen.

Die Einrichtung der Ausrüstung umfasst eine Standardprüfmaschine für Schlagversuche, Prüfgeräte für Zugversuche und Mikroskopieinstrumente. Proben werden gemäß spezifischen Normen vorbereitet, mit einer Oberflächenbehandlung zur Entfernung von Verunreinigungen, die die Ergebnisse beeinflussen könnten.

Tests Standards und Verfahren

Internationale Standards wie ASTM A262 Practice E, ISO 3651 und EN 10088-3 spezifizieren Verfahren zur Bewertung der Acid-Brittleness:

• Probenvorbereitung: Proben werden auf vorgeschriebene Abmessungen bearbeitet, wobei der Fokus auf Oberflächenfinish und Sauberkeit liegt.
• Säureexposition: Proben werden in eine spezifizierte Säurelösung (z. B. Salzsäure, Schwefelsäure) bei kontrollierter Temperatur und Dauer eingetaucht.
• Mechanische Tests: Nach der Exposition werden die Proben unter standardisierten Bedingungen Schlag- oder Zugtests unterzogen.
• Bewertung: Bruchflächen werden mikroskopisch untersucht, und die Versagensmodi werden gemäß Schweregrad klassifiziert.

Kritische Parameter sind Säurekonzentration, Temperatur, Expositionszeit und Prüfbelastung. Variationen dieser Parameter beeinflussen die Sensitivität und Reproduzierbarkeit des Tests.

Probenanforderungen

Proben müssen repräsentativ für den Stahl-Batch sein, mit einheitlicher Mikrostruktur und Oberflächenbearbeitung. Die Oberflächenbehandlung umfasst die Reinigung zur Entfernung von Oxidschichten, Fett oder Zunder, die sich auf die Säureinteraktion oder die Tests auswirken könnten.

Proben werden typischerweise mit spezifischen Abmessungen, wie Standard-Zug- oder Schlagtestproben, vorbereitet, um Konsistenz über die Tests hinweg zu gewährleisten. Eine ordnungsgemäße Probenwahl sorgt dafür, dass die Ergebnisse die Anfälligkeit des Materials für Acid-Brittleness genau widerspiegeln.

Messgenauigkeit

Die Messgenauigkeit hängt von einer konsistenten Probenvorbereitung, kontrollierten Testbedingungen und einer genauen mikroskopischen Analyse ab. Die Wiederholbarkeit wird durch standardisierte Verfahren und Kalibrierung der Ausrüstung erreicht.

Fehlerquellen umfassen Oberflächenkontaminierung, inkonsistente Säureexposition oder Fehlinterpretation von Bruchmerkmalen. Um die Messqualität zu gewährleisten, setzen Labore Qualitätskontrollmaßnahmen wie Kalibrierung, Leistungsprüfungen und detaillierte Dokumentation um.

Quantifizierung und Datenanalyse

Messgrößen und Skalen

Die Quantifizierung der Acid-Brittleness umfasst Parameter wie:

• Dehnung beim Bruch (%): Niedrigere Werte weisen auf höhere Sprödigkeit hin.
• Aufprallenergie (J): Reduzierte Aufprallenergie weist auf erhöhte Sprödigkeit hin.
• Rissdichte (Anzahl pro Flächeneinheit): Höhere Rissdichte korreliert mit der Schwere.
• Schweregradbewertung (Grad 0-3): Qualitative Klassifizierung basierend auf Bruchmerkmalen.

Mathematisch wird die Aufprallenergie direkt über die Aufprallprüfmaschine gemessen, während die Rissdichte durch mikroskopische Bildanalyse beurteilt wird, die oft mit Bildbearbeitungssoftware quantifiziert wird.

Umrechnungsfaktoren sind minimal, aber die Werte für die Aufprallenergie können mit den in den Normen festgelegten Duktilitätsgrenzen korreliert werden.

Dateninterpretation

Die Testergebnisse werden interpretiert, indem die gemessenen Parameter mit den in den Normen oder Kundenanforderungen festgelegten Akzeptanzkriterien verglichen werden. Zum Beispiel deutet eine Aufprallenergie unter einem bestimmten Schwellenwert auf eine inakzeptable Acid-Brittleness hin.

Schwellenwerte werden basierend auf den Anwendungsanforderungen bestimmt; beispielsweise kann für strukturelle Stähle eine Aufprallenergie über 27 J bei Raumtemperatur erforderlich sein, um als widerstandsfähig zu gelten.

Die Ergebnisse werden mit Materialeigenschaften wie Zähigkeit, Duktilität und Korrosionsbeständigkeit korreliert. Ein hoher Grad an Sprödigkeit deutet auf potenzielle Versagensrisiken in Serviceumgebungen hin.

Statistische Analyse

Mehrere Messungen über Proben ermöglichen die statistische Bewertung, einschließlich der Berechnung von Mittelwerten, Standardabweichungen und Konfidenzintervallen. Dieser Ansatz gewährleistet die Zuverlässigkeit und Reproduzierbarkeit der Ergebnisse.

Stichprobenpläne sollten branchenspezifischen Richtlinien, wie ASTM E177 oder ISO 2859, folgen, um repräsentative Tests sicherzustellen und Stichprobenverzerrungen zu minimieren. Statistische Analysen helfen dabei, die Prozessfähigkeit und Qualitätskontrollschwellen festzulegen.

Einfluss auf Materialeigenschaften und Leistung

Betroffene Eigenschaft	Ausmaß der Beeinträchtigung	Versagensrisiko	Kritischer Schwellenwert
Zähigkeit	Deutliche Reduzierung	Hoch	Aufprallenergie unter 20 J bei Raumtemperatur
Duktilität	Deutlicher Rückgang	Erhöht	Dehnung beim Bruch unter 10%
Korrosionsbeständigkeit	Verschlechterung	Moderat	Sichtbare intergranulare Korrosion nach Säureexposition
Bruchzähigkeit	Starker Rückgang	Sehr hoch	Bruchzähigkeit unter kritischen Werten, die in Normen angegeben sind

Die Acid-Brittleness beeinträchtigt direkt die Fähigkeit des Stahls, Energie zu absorbieren und sich plastisch zu verformen, bevor er bricht. Die mikrostrukturellen Schäden, die durch Säurewechselwirkungen verursacht werden, reduzieren die kohäsive Stärke zwischen den Körnern und führen zu sprödem Versagen unter Belastung.

Der Schweregrad der Acid-Brittleness korreliert mit einer verringerten Betriebsleistung, insbesondere in tragenden oder stoßanfälligen Anwendungen. Materialien, die eine hohe Anfälligkeit aufweisen, sind anfällig für plötzliche Versagen, was zu katastrophalen Unfällen oder kostspieligen Reparaturen führen kann.

Die Beziehung zwischen Versagensschwere und Leistungsdegradation ist gut etabliert: Je höher der Grad der Sprödigkeit, desto größer ist die Wahrscheinlichkeit des Versagens unter betrieblichen Belastungen. Daher ist die Kontrolle der Acid-Brittleness entscheidend für die Gewährleistung langfristiger Zuverlässigkeit.

Ursachen und Einflussfaktoren

Prozessbedingte Ursachen

Fertigungsprozesse wie unsachgemäße Wärmebehandlung, schnelles Abkühlen oder unzureichendes Glühen können mikrostrukturelle Merkmale induzieren, die den Stahl anfällig für Acid-Brittleness machen. Beispielsweise kann unzureichendes Anlassen Restspannungen oder grobe Mikrostrukturen hinterlassen, die die Rissinitiierung begünstigen.

Kontamination während der Verarbeitung, wie das Entstehen von Einschlüssen oder Oberflächenoxidation, kann bevorzugte Stellen für die Säureangriffe schaffen. Übermäßige Entkohlung oder Oberflächendekarburierung während des Schmiedens oder Walzens kann die Oberfläche schwächen und die Anfälligkeit erhöhen.

Kritische Kontrollpunkte sind die Aufrechterhaltung geeigneter Temperaturprofile, die Kontrolle der Abkühlraten und die Gewährleistung sauberer Verarbeitungsumgebungen, um Einschlüsse und Oberflächendefekte zu minimieren.

Einflussfaktoren der Materialzusammensetzung

Legierungselemente beeinflussen erheblich die Anfälligkeit:

• Chrom und Molybdän: Erhöhen die Korrosionsbeständigkeit, können jedoch sekundäre Phasen bilden, die die Sprödigkeit beeinflussen.
• Kohlenstoff: Höhere Kohlenstoffgehalte können die mikrostrukturelle Heterogenität erhöhen und die Rissinitiierung fördern.
• Verunreinigungen: Schwefel, Phosphor und nichtmetallische Einschlüsse wirken als Initiierungsstellen für lokale Korrosion und Rissbildung.

Stähle mit ausgewogener Legierung und niedrigen Verunreinigungsgehalten zeigen tendenziell eine bessere Widerstandsfähigkeit gegen Acid-Brittleness. Beispielsweise zeigen rostfreie Stähle mit hohem Chromgehalt eine überlegene Beständigkeit aufgrund stabiler passiver Filme.

Umwelteinflüsse

Die Exposition gegenüber sauren Umgebungen während des Betriebs oder der Tests beschleunigt die Sprödigkeit. Faktoren wie Säurekonzentration, Temperatur und Expositionsdauer beeinflussen direkt die Schwere.

Hohe Temperaturen erhöhen die chemischen Reaktionsraten, intensivieren die Korrosion und die mikrostrukturelle Degeneration. Zeitabhängige Effekte umfassen progressives Auslaugen von Legierungselementen und die Ansammlung von Korrosionsprodukten, die die Mikrostruktur im Laufe der Zeit schwächen.

Im Betrieb kann eine zyklische Exposition gegenüber Säuren oder schwankenden Umweltbedingungen die Acid-Brittleness verschärfen, insbesondere wenn schützende Beschichtungen oder Korrosionsinhibitoren fehlen oder ineffektiv sind.

Einfluss der metallurgischen Geschichte

Frühere Verarbeitungsschritte, wie Schweißen, Kaltverformung oder frühere Wärmebehandlungen, beeinflussen die Mikrostruktur und Restspannungen und wirken sich auf die Anfälligkeit aus. Beispielsweise kann Schweißen Mikrorisse oder lokale mikrostrukturelle Veränderungen einführen, die als Rissinitiierungsstellen unter Säureangriff dienen.

Kumulative Effekte der mikrostrukturellen Heterogenität, Korngröße und Phasendistribution aus früheren Verarbeitungsstufen bestimmen den Gesamtwiderstand des Stahls. Mikrostrukturmerkmale wie Karbide an Korngrenzen oder retained Austenite können die Acid-Brittleness je nach Verteilung und Stabilität entweder mindern oder fördern.

Präventions- und Milderungsstrategien

Prozesskontrollmaßnahmen

Die Verhinderung von Acid-Brittleness beginnt mit strenger Prozesskontrolle:

• Aufrechterhaltung optimaler Wärmebehandlungsparameter zur Erzeugung einheitlicher, feiner Mikrostrukturen.
• Sicherstellung der Oberflächenreinheit und angemessene Kontrolle der Dekarburierung.
• Anwendung von Schutzbeschichtungen oder Oberflächenbehandlungen zur Hemmung der Säureinteraktion.
• Überwachung der Restspannungen durch kontrolliertes Abkühlen und Spannungsabbauglühen.

Die Echtzeitüberwachung von Prozessen, wie z.B. Thermoelement-Feedback und zerstörungsfreie Prüfungen, hilft, Abweichungen zu erkennen, die zu Sprödigkeit führen können.

Materialdesignansätze

Änderungen im Legierungsdesign können die Widerstandsfähigkeit verbessern:

• Erhöhung des Gehalts an Chrom, Nickel oder Molybdän zur Förderung stabiler passiver Filme.
• Anpassung der Kohlenstoffgehalte zur Optimierung der Mikrostruktur und zur Reduzierung der Mikrovakuolenbildung.
• Integration von mikrolegierten Elementen wie Vanadium oder Niob zur Verfeinerung der Korngröße und Hemmung der Rissausbreitung.

Wärmebehandlungen wie Normalisieren oder Anlassen können Mikrostrukturen erzeugen, die weniger anfällig für Säureangriffe sind. Mikostrukturingenieurwesen zielt darauf ab, homogene, feinkörnige Stähle mit minimalen Einschlüsse herzustellen.

Nachbesserungstechniken

Wenn Acid-Brittleness vor dem Versand festgestellt wird, umfassen die Abhilfemaßnahmen:

• Nachglühen oder Spannungsabbau-Behandlungen zur Modifizierung der Mikrostruktur.
• Oberflächenerneuerung oder Beschichtungsanwendungen zur Verhinderung des Säurekontakts.
• Mechanische Reparaturen oder Schweißen zur Behebung lokalisierter Schäden, gefolgt von geeigneter Wärmebehandlung.

Die Akzeptanzkriterien für nachgebesserte Produkte sollten strikt sein, um sicherzustellen, dass verbleibende Sprödigkeit die Leistung nicht gefährdet.

Qualitätssicherungssysteme

Die Implementierung umfassender QA-Systeme umfasst:

• Regelmäßige Tests von eingehenden Rohmaterialien und Fertigprodukten.
• Führung detaillierter Aufzeichnungen über Verarbeitungsparameter und Testergebnisse.
• Durchführung periodischer Audits und Leistungsprüfungen.
• Festlegung klarer Akzeptanzkriterien in Übereinstimmung mit internationalen Standards.

Die besten Praktiken der Branche betonen frühzeitige Erkennung, Rückverfolgbarkeit und kontinuierliche Verbesserung zur Vermeidung von versagensbedingten Schäden durch Acid-Brittleness.

Industrielle Bedeutung und Fallstudien

Wirtschaftlicher Einfluss

Acid-Brittleness kann zu kostspieligen Ausfällen, Ausfallzeiten und Sicherheitsrisiken führen. Die Kosten, die mit Produktrückrufen, Reparaturen und Haftungsansprüchen verbunden sind, können erheblich sein.

Die Produktivität wird durch erhöhte Testergebnisse, Neubehandlungen oder Ablehnungsquoten beeinträchtigt. In kritischen Anwendungen kann ein Versagen aufgrund von Acid-Brittleness katastrophale Unfälle verursachen, die zu rechtlichen und finanziellen Haftungen führen können.

Branchen, die am meisten betroffen sind

Chemische Verarbeitungsanlagen, Offshore-Ölplattformen und Pipelines sind besonders sensit³iv aufgrund ihrer Exposition gegenüber sauren Umgebungen. Strukturkomponenten in diesen Sektoren müssen strengen Widerstandsnormen entsprechen.

Stahl, der in korrosionsbeständigen Anwendungen wie rostfreien oder Duplexstählen eingesetzt wird, wird auf Acid-Brittleness geprüft, um langfristige Haltbarkeit zu gewährleisten. Branchen wie Luftfahrt und Nuklearenergie erfordern ebenfalls strenge Tests aufgrund von Sicherheitsüberlegungen.

Beispiele für Fallstudien

Ein bemerkenswerter Fall betraf eine chemische Anlage, die plötzliche Pipelineausfälle erlebte. Die Ursachenanalyse ergab intergranulare Korrosion und spröden Bruch nach Säureexposition. Die Untersuchung identifizierte unsachgemäße Wärmebehandlung und hohe Restspannungen als beitragende Faktoren.

Die Abhilfemaßnahmen umfassten Prozessänderungen zur Optimierung der Wärmebehandlung, Anpassungen der Legierung und verbesserten Oberflächenschutz. Nachfolgende Tests zeigten eine signifikante Verbesserung der Säurebeständigkeit und verhinderte zukünftige Ausfälle.

Erfahrungen

Historische Vorfälle unterstreichen die Bedeutung umfassender Tests und strenger Prozesskontrollen. Fortschritte im Verständnis der Acid-Brittleness führten zur Entwicklung standardisierter Testmethoden und verbesserter Legierungszusammensetzungen.

Die besten Praktiken umfassen jetzt routinemäßige mikrostrukturelle Analysen, Tests zur Umweltsimulation und proaktive Prozessanpassungen zur Minderung der Anfälligkeit. Die kontinuierliche Forschung zielt darauf ab, Stähle mit inhärent hoher Widerstandsfähigkeit gegen Umweltsprödigkeit zu entwickeln.

Verwandte Begriffe und Standards

Verwandte Mängel oder Tests

• Wasserstoffsprödigkeit: Ähnlich wie Acid-Brittleness, bei der Wasserstoff in den Stahl eindringt und zu sprödem Versagen führt.
• Intergranulare Korrosion: Lokalisiert Korrosion entlang der Korngrenzen, oft in Verbindung mit Säureangriff.
• Stresskorrosionsrissbildung (SCC): Rissausbreitung unter kombinierter Zugspannung und korrosiver Umgebung.

Diese Phänomene sind miteinander verbunden, wobei Acid-Brittleness oft als Vorläufer oder Bestandteil einer umfassenderen Umweltschädigung auftritt.

Wichtige Standards und Spezifikationen

• ASTM A262 Practice E: Standard-Testmethode zur Erkennung von Anfälligkeiten gegenüber intergranulären Angriffen in Stählen.
• ISO 3651: Standards für die Korrosionstestung von Stahl, einschließlich Bewertungen zur Acid-Brittleness.
• EN 10088-3: Testverfahren für rostfreie und korrosionsbeständige Stähle.

Regionale Standards können zusätzliche Anforderungen oder Prüfprotokolle festlegen, die auf die lokalen Branchenbedürfnisse zugeschnitten sind.

Neue Technologien

Zu den aktuellen Entwicklungen gehören fortschrittliche nicht-destruktive Evaluierungstechniken (NDE) wie akustische Emissionsüberwachung und digitale Korrelationsbilder zur frühzeitigen Erkennung von Sprödigkeit.

Innovationen im Legierungsdesign, bei Schutzbeschichtungen und im mikrostrukturellen Engineering verbessern weiterhin die Widerstandsfähigkeit. Zukünftige Forschungen zielen darauf ab, Stähle mit inhärenter Resistenz gegen säurebedingte Sprödigkeit zu entwickeln, um die Abhängigkeit von umfangreichen Tests zu verringern.

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Dieser umfassende Beitrag zur Acid-Brittleness bietet ein detailliertes Verständnis des Phänomens, seiner Erkennung, Implikationen und Milderungsstrategien innerhalb der Stahlindustrie, die Qualitätssicherung und Sicherheit in kritischen Anwendungen unterstützen.