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Schule > Chemie > Grundlagen der Chemie > Werkstoffprüfung

Inhaltsverzeichnis

1.1 Zweck der Werkstoffprüfung 2
1.1.1 Die Hauptaufgabe von Werkstoffprüfungen 2
1.1.2 Zeitlich orientierte Aufgabenbereiche 2
1.2 Auswahl der Werkstoffe … 2
1.2.1 …nach ihren Eigenschaften 2
1.2.2 … nach ihrer Beanspruchung und Belastung 3
2.1 Übersicht und Ordnung der Prüfverfahren 3
2.1.1 Zerstörende Werkstoffprüfung 3
2.1.2 Zerstörungsfreie Werkstoffprüfung 4
3.1 Zugversuch 5
3.2 Härteprüfung 5
3.2.1 Härteprüfung nach Brinell 5
3.2.2 Härteprüfung nach Rockwell 6
3.2.3 Härteprüfung nach Vickers 6
3.3 Ultraschallprüfung 6
3.4 Makroskopische Untersuchung 6
Literaturverzeichnis 7
1. Werkstoffprüfung
1.1 Zweck der Werkstoffprüfung
1.1.1 Die Hauptaufgabe von Werkstoffprüfungen
Werkstoffprüfungen werden durchgeführt um das Verhalten, die Eigenschaften und die Art eines Werkstoffes unter äußeren Einflüssen zu untersuchen. Diese Einflüsse können beispielsweise spanende oder spanlose Formgebung, Feuchtigkeit, Hitze, Kälte, Oberflächenbeanspruchung, Krafteinwirkungen, o.ä. sein.
Desweiteren kann die chemische Zusammensetzung und eventuelle Fehler (Lunker, Risse, Einschlüsse) festgestellt werden.
Die Prüfvorgänge und –Bedingungen sind weitgehend durch Normen festgelegt, wie die ÖNORM, DIN- und ISO- Norm.
1.1.2 Zeitlich orientierte Aufgabenbereiche
Man unterscheidet Werkstoffprüfungen auch nach ihrer zeitlichen Benutzung.
Vor dem Gebrauch kann man Werkstoffe auf ihre technologischen Eigenschaften hin prüfen wie Härte, Zähigkeit, Elastizität. Wenn ein passender Werkstoff gefunden wurde kann man während der Herstellung von fertigen Teilen oder Halbzeugen die stetige Qualität durch Werkstoffprüfungen weiter gewährleisten. Das kann durch Oberflächenrissprüfung, Ultraschallprüfung etc. geschehen.
Nach einem Bruch oder einem Werkstoffversagen können Schadensursachen ermittelt werden, um diese in der Zukunft eventuell zu vermeiden.
1.2 Auswahl der Werkstoffe …
1.2.1 …nach ihren Eigenschaften
Verschiedene Bauteile von Baugruppen, wie zum Beispiel Bauteile einer hochwertigen Uhr müssen ihrer Bestimmung nach ausgewählt werden. Beispielsweise kann eine Uhren- Feder nicht aus einem plastischen Werkstoff bestehen. Der Werkstoff muss also elastisch sein. Auch die Werkstoffveränderungen durch äußere Einflüsse müssen ermittelt werden. Dazu gehört u.a. der Längenausdehnungskoeffizient eines Werkstoffes. Denn bei verschiedenen Temperaturen kann sich ein Werkstoff unterschiedlich ausdehnen oder zusammenziehen. Das kann die Passgenauigkeit erheblich negativ beeinflussen.
Das Korrosionsverhalten wird zwar auch durch äußere Einflüsse beeinflusst, allerdings wird das Korrosionsvermögen als chemisch- technologische Eigenschaft untergliedert. Die Schweißbarkeit oder Umformbarkeit werden Fertigungstechnische Eigenschaften genannt. Die Umweltverträglichkeit ist der letzte Gliederungspunkt, der in den letzten Jahren, durch das stetig wachsende Umweltbewusstsein, stark an Bedeutung gewonnen hat. Dazu zählt die Wiederverwertbarkeit, aber auch die gesundheitsgefährdende Wirkung auf den Menschen. Zusammenfassend gibt es 5 Eigenschaftsarten, die für die Auswahl relevant sind. Die mechanisch- technologischen, die physikalischen, die chemisch- technologischen, die fertigungstechnischen und umweltbeeinflussenden Eigenschaften.
1.2.2 … nach ihrer Beanspruchung und Belastung
Die Beanspruchung eines fertigen Teils oder eines Halbzeugs wird durch Kräfte verursacht die auf den Körper einwirken.
Beanspruchung- bzw. Belastungsarten Bauteilverwendung
Zugbeanspruchung Ketten, Seile Druckbeanspruchung Fundamente Biegebeanspruchung Balken, Achsgestänge Abscherbeanspruchung Bolzen, Passfedern Flächenpressung Lagerschalen, Stifte Torsionsbeanspruchung Wellen, Schrauben Knickung Lange, dünne Stäbe Zusammengesetzte Beanspruchung Treibkurbeln, -stangen bei Lokomotiven
Belastungsarten werden weiter in 3 Lastfälle unterteilt, denn eine Beanspruchung kann statisch(ruhend) oder dynamisch(bewegt) erfolgen. Bei den Dynamischen kann der Verlauf abrupt (spitz dargestellt)oder stetig (abgerundet dargestellt)sein.
Lastfall I Lastfall II Lastfall III statische Belastung dynamisch schwellende Belastung dynamisch wechselnde Belastung
Zeit t
Max.
Min.
Zeit t
Zeit t
- Intervall Die Kerbwirkung, die Zeit und die Temperatur, bzw. deren Schwankung beeinträchtigen ebenfalls die Belastung eines Bauteils.
2. Werkstoffprüfverfahren
2.1 Übersicht und Ordnung der Prüfverfahren
2.1.1 Zerstörende Werkstoffprüfung
Die zerstörende Werkstoffprüfung unterteilt man in mechanische und in chemisch- thermische Prüfverfahren. Ich werde die einzelnen Verfahren in einer Tabelle zusammenfassen und später noch ein paar Prüfverfahren genauer vorstellen. Bei den Zerstörenden Prüfverfahren wird das Bauteil in seiner Form und Funktion so verändert, dass es automatisch zu Ausschuss wird. Es dient allerdings der Vorbeugung von Fehlern.
Mechanische Prüfverfahren
Chemisch- thermische Prüfverfahren Manuelle
Prüfverfahren - Härteprüfungen (z.B. nach Brinell,
Vickers, Rockwell)
- Zugversuch
- Scherversuch
- Druckversuch
- Kerbschlagbiegeversuch (z.B. nach
Charpy, Izod, oder Schlagzug)
- Biege- und Faltversuch von Blechen
- Tiefungsversuch nach Erichsen
- Torsionsversuch
-Dauerschwingversuch nach Wöhler
-Zeitstandversuch
- Bördel- und Aufweitversuch - Brennprobe
- Differenz- Temperatur- Analyse
- Gaschromatografie
- Metallografie/ Kristallografie
-Aufschweißbiegeversuch
- Stirnabschreckversuch - Funkenprobe

- Bruchprobe
-Ausbreitprobe Bei den manuellen Prüfverfahren handelt es sich um Werkstatt- Prüfverfahren, die, wie der Name schon sagt, meist in Werkstätten durchgeführt werden. Bei der Funkenprobe werden die Farbe und die Form des Funkenbildes beurteilt. Dabei kann auf Zusammensetzung des Werkstoffs und die Art geschlossen werden. Die Bruchprobe gibt andererseits Aufschluss über Härte, Festigkeit, sowie Risse, Einschlüsse, u.a. Bei der Ausbreitprobe wird die Schmiedefähigkeit getestet.
2.1.2 Zerstörungsfreie Werkstoffprüfung
Bei der Zerstörungsfreien Werkstoffprüfung gilt es optisch, akustisch oder mit Hilfe von Betriebsmitteln und elektrischen Diagnosegeräten, Mängel und Fehler zu lokalisieren, ohne das Bauteil zu beschädigen, oder in Form und Beschaffenheit zu verändern.
Meist werden diese Prüfverfahren nur Stichprobenartig durchgeführt, da sie oft sehr Kostenaufwendig und zeitintensiv sind. Auch die Zerstörungsfreien Prüfverfahren werde ich in einer Tabelle darstellen und die allgemein gebräuchlichen Abkürzungen in Klammern hinter die Prüfverfahren hängen. Auf die genannten Prüfverfahren kann ich aus Aufwandstechnischen Gründen im Einzelnen nicht eingehen.
Die Prüfverfahren lassen sich einteilen nach der Lage des Fehlers. In Volumenorientierte- und Oberflächenorientierte Prüfverfahren. Die Volumenorientierten Prüfverfahren beziehen sich auf Fehler unsichtbar des menschlichen Auges im Inneren des Werkstückes.
Volumenorientierte Prüfverfahren Oberflächenorientierte Prüfverfahren - Schallemissionsprüfung (AE)
- Akustische Resonanzprüfung (ART)
- Durchstrahlungsprüfung (RT)
- Ultraschallprüfung (UT)
Sonstige Prüfverfahren
- Dichtheitsprüfung (LT)
- Vibrationsprüfung (VA) - Wirbelstromprüfung (RT)
- Thermografie (IRT)
- Magnetpulverprüfung (MT)
- Eindringprüfung (PT)
- Sichtprüfung visuelle Prüfung (VT)
- Magnetisches Barkhausenrauschen
-Oberwellenanalyse des Zeitsignals
der tangentialen Magnetfeldstärke
- Überlagerungspermeabilität

Im Großen und Ganzen kann zwischen folgende Gruppen unterschieden werden:
- Oberflächenprüfung mit Hilfe der Kapillarwirkung
- Magnetische Rissprüfung
- induktive Prüfverfahren
- Röntgen- und Gammastrahlprüfung
- Makroskopische Untersuchungen
- Mikroskopische Untersuchungen
3. Beispiele für Prüfverfahren

3.1 Zugversuch
Zugversuche werden meist bei zähen Werkstoffen angewendet, die an ihrem Bestimmungsort Zugkräfte auszuhalten haben. Beispielsweise Ketten oder Drahtseile.
Der Zugversuch dient zur Ermittlung der Zugfestigkeit, Streckgrenze, Dehnung, Bruchdehnung oder des Einschnürungsverhaltens. Allgemein geht es um die Ermittlung der Werkstoffqualität und der Werkstoffgüte.
Beim Zugversuch wird ein Probestab senkrecht in eine Universalprüfmaschine eingespannt. Der Probestab hat eine “Hantel“- Form, heißt dass er an seinen Enden einen größeren Querschnitt besitzt und in seiner Mitte einen geringeren. Das bewirkt eine Art Sollbruchstelle.
Mit konstant steigender Zugkraft wird nun der Probestab gestreckt. Anfangs dehnt sich der Stab ohne merkbare Querschnittsänderung. Nach einer gewissen Zeit schnürt sich der Probestab in seiner Mitte doch sichtbar ein und reißt schlussendlich ab. Dabei werden, entweder maschinell (PC) oder manuell (Tabellen), die Messwerte, wie Zugkraft, Zeit und Längenänderung eingegeben und anschließend ausgewertet.
Die Zugfestigkeit wird in N/mm² angegeben. Bedeutet also dass die Kraftaufwendung ermittelt wird, die ein Körper pro mm² aushalten muss, damit er nicht abreißt.

3.2 Härteprüfung
Härteprüfungen sind immer zerstörende Prüfverfahren, bei dem ein Prüfobjekt in das Werkstück gedrückt wird. Denn Härte ist der Widerstand, den ein Werkstoff einem eindringenden Stoff entgegenwirkt. Es gibt verschiedene Verfahren, die ausschließlich nach ihrem Entwickler benannt sind. Es gibt die Härteprüfung nach Mohs, Brinell, Vickers, Rockwell, Knoop, Shore, Barcol und Martens. Ich werde die 3 gängigsten Verfahren nach Brinell, Vickers und Rockwell etwas genauer erklären.
3.2.1 Härteprüfung nach Brinell
Johann August Brinell war schwedischer Chefingenieur eines Eisenwerkes und stellte sein Prüfverfahren erstmals im Jahr 1900 bei der Pariser Weltausstellung vor.
Bei dem Verfahren wird eine gehärtete Stahlkugel oder eine Hartmetallkugel mit einer genormten Prüfkraft auf die Oberfläche eines Werkstoffes gedrückt und für etwa 15 Sekunden gehalten. Der Eindruckdurchmesser wird – unter Zuhilfenahme einer Messlupe- gemessen. Anschließend wird aus dem Ergebnis der Härtewert HB berechnet oder aus einer Tabelle abgelesen. Mit der unten aufgeführten Formel kann die Brinellhärte berechnet werden. Dort wird das Verhältnis von Prüfkraft zur Eindruckoberfläche mit dem Zahlenwert 0,102 multipliziert und das bezeichnet man als Brinellhärte.
3.2.2 Härteprüfung nach Rockwell
Stanley Rockwell, amerikanischer Ingenieur und Firmengründer, entwickelte im Jahr 1920 dieses Prüfverfahren. Bei diesem Verfahren wird entweder ein Diamantkegel (Spitzenwinkel= 120°) oder eine gehärtete Stahlkugel in das Werkstück eingepresst. Es wird zuerst mit einer Vorkraft von 98 N belastet und die Messuhr “genullt“. Dann wird mit der eigentlichen Prüfkraft von entweder 490N, 883N oder 1373N nachgedrückt und nach kurzer Zeit wieder weggenommen. Die bleibende Eindringtiefe ist das indirekte Maß und kann abgelesen werden.
3.2.3 Härteprüfung nach Vickers
Im Jahr 1925 von Smith und Sandland entwickeltes, der Brinellprüfung sehr ähnliches Prüfverfahren, das nach dem britischen Flugzeugbauer Vickers benannt wurde. Dieses Verfahren ist besonders für dünnwandige Blechstärken geeignet. Ein Diamantkegel, mit einem Spitzenwinkel von 136°, wird auf die Oberfläche des Prüfkörpers mit einer festgelegten Prüfkraft gedrückt. Aus der, durch ein Messmikroskop, festgestellten Länge der Diagonalen des Eindrucks, wird die Oberfläche errechnet. Das Verhältnis von Prüfkraft zur Eindringoberfläche mit dem Faktor 0,1891 multipliziert ergibt die Vickershärte.

3.3 Ultraschallprüfung
Unter Ultraschallprüfung versteht man das Abtasten oder Abfahren des Werkstücks mit einem Ultraschallkopf und einer Koppelflüssigkeit. Der Ultraschallkopf sendet und empfängt die mechanischen Schwingungen mit Frequenzen von ca. 01 bis 25 MHz.
Die Schallwellen breiten sich geradlinig im Werkstück aus. Wenn die Wellen auf Lunker oder Einschlüsse treffen werden sie reflektiert. Durch das Bodenecho und das Fehlerecho können die Fehlertiefe und Fehlergröße bestimmt werden. Das Ergebnis wird auf einem Leuchtschirm wiedergegeben. Ultraschall kann ausschließlich bei schalldurchlässigen Werkstoffen angewendet werden.
3.4 Makroskopische Untersuchung
Makroskopische Untersuchungen werden mit bloßem Auge oder geringer Vergrößerung durchgeführt. Diese Untersuchung gibt Aufschluss über Seigerungen, Gasblasen und Schlackeneinschlüsse. Desweiteren liefert sie grobe Anhaltswerte über den Gefügeaufbau. Die Vorrausetzung für diese Untersuchung ist eine geschliffene Oberfläche. Man unterscheidet in Ätzverfahren und Abdruckverfahren. Der Baumannsabdruck ist das bekannteste der Abdruckverfahren. Man nimmt ihn zum Nachweis von Schwefelseigerungen im Stahl her. In einer Dunkelkammer wird ein mit Schwefelsäure getränktes Fotopapier auf die geschliffene Oberfläche des Werkstoffes gedrückt. Zwischen der Schwefelsäure und den Sulfideinflüssen der Seigerungen kommt es zu Reaktionen, bei denen Schwefelwasserstoff entsteht. Dadurch bildet sich in der Fotoschicht ein dunkles Sulfidbild, was die Lage der Seigerungen kennzeichnet.
Literaturverzeichnis
Wikipedia
LBS Knittelfeld
Einführung in die Werkstoffkunde und Werkstoffprüfung Expert Verlag
Werkstoffkunde und Werkstoffprüfung Cornelsen

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