Werkstoffprüfung. 1. Übersicht. Carl-Engler-Schule Karlsruhe Werkstoffprüfung 1 (6) Metallografisch

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1 Carl-Engler-Schule Karlsruhe Werkstoffprüfung 1 (6) Metallografisch Werkstoffprüfung 1. Übersicht Wird das Prüfstück stellvertretend für andere, gleichartige Werkstücke untersucht und ist es danach nicht mehr als Werkstück einsetzbar, nennt man das Prüfverfahren zerstörend. Nur mit nichtzerstörenden Prüfverfahren lassen sich alle Werkstücke prüfen. Abdruckverfahren Makroätzung Adler Fry Oberhofer Mikroätzung Korngrenzenätzung Kornflächenätzung Lichtmikroskop Elektronenmikroskop Feldelektronenmikroskop REM Rasterelektronenmikroskop SXM Scanning-X-Mikroskopie Zerstörend, Statisch Härteprüfung Brinell DIN Vickers DIN Rockwell DIN Zugversuch DIN Scherversuch Druckversuch DIN Biegeversuch DIN Warmzugversuch Zeitstandversuch DIN Verschleißversuch Zerstörend, dynamisch Rücksprunghärte Kerbschlag-Biege-Versuch DIN Dauerschwingversuch DIN Zerstörungsfrei Eindringverfahren DIN54152 (=Penetrierverfahren) Ölkochprobe UV-Apenol-Verfahren MET-L-CHECK-Verfahren Magnetische Prüfung (Rißprüfung) Streuflußverfahren DIN mit Magnetpulver-Anzeige Magnetinduktive Prüfung DIN (=Wirbelstromprüfung) Ultraschall-Prüfung Durchschallung Impuls-Echo-Verfahren (DIN ) Röntgenprüfung abbildend DIN Gammastrahlenprüfung abbildend Technologisch Faltversuch DIN Hin- und Herbiegeversuch DIN Bördelversuch an Rohren DIN Chemisch/Physikalisch Funkenprobe Lichtemissiones-Spektralanalyse Röntgenspektroskopie RFA Mikrosonde Röntgenfeinstrukturuntersuchung Laue Debye-Scherrer Drehkristall-Verfahren Holthaus-Seuthe-Verfahren (für C, S in Stahl) Tüpfelproben

2 Carl-Engler-Schule Karlsruhe Werkstoffprüfung 2 (6) 2. Physikalische Stoffkenngrößen Dichte Elastizitäts-Modul Torsionsmodul Schubmodul Poisson-Zahl Streckgrenze Dauerfestigkeit Zeitfestigkeit Härte Sprödigkeit Viskosität Eigenspannung Rauhigkeit spez. Oberfläche Gefügeart Korngrößen Chemische Reinheit Thermische Längenausdehnung Spezifische Wärmekapazität Wärmeleitfähigkeit Temperaturleitfähigkeit Schmelzpunkt Siedepunkt Hitzebeständigkeit Heizwert Brechungsindex Dispersion Absorptionskoeffizient optisches Drehvermögen elektrische Leitfähigkeit Thermische Widerstandsänderung spez. Dielektrizitätszahl Durchschlagsfestigkeit Kriechstromfestigkeit spez. Permeabilität Curie-Temperatur

3 Carl-Engler-Schule Karlsruhe Werkstoffprüfung 3 (6) 3. Härteprüfung 3.1 Brinell Beim Brinell-Verfahren (DIN ) wird eine Stahlkugel mit einer bestimmten Prüfkraft F in die Oberfläche des Prüfstücks gedrückt. Aus dem Durchmesser D der Kugel, dem Durchmesser d des kreisförmigen Eindrucks und der Prüfkraft F wird eine dimensionslose Zahl, die Brinell-Härte HB berechnet. 2 F 0,102 HB= D D D 2 d 2 Die (hier nicht benötigte) Eindringtiefe h wird berechnet durch h= 1 2 D D 2 d 2 Die Prüflast wird stoßfrei aufgebracht und wirkt etwa 10s lang. Die Kugeln haben genormte Durchmesser von 1,0mm, 2,5mm, 5,0mm und 10,0mm. Die Obergrenze liegt bei 400HB. Für spezielle Stähle (Martensit) und Verwendung einer Hartmetallkugel können sich Werte über 700HB ergeben. HV = 0,189 F d 2 Bei einer Bestimmung der Mikrohärte wird das Prüfstück unter dem Mikroskop an verschiedenen Gefügebestandteilen mit kleiner Kraft (0,002N bis 20N) belastet. 3.4 Poldi-Hammer (dynamisches Verfahren) Eine Stahlkugel liegt zwischen Prüfkörper und Vergleichskörper. Ein Schlag mit dem Hammer auf den Vergleichskörper erzeugt in beiden Körpern einen Eindruck, deren Durchmesser verglichen werden. 3.5 Rücksprunghärte Mit dem Skleroskop nach Shore fällt ein Hammer mit Diamantspitze aus einer festen Höhe auf das Werkstück. Es ergibt sich eine plastische und eine elastische Verformung. Die elastische Verformung lässt den hammer wieder zurückspringen. Aus der Sprunghöhe lässt sich die Härte bestimmen. 3.2 Rockwell Beim Rockwell-Verfahren (DIN ) wird ein Diamantkegel mit einem Kegelwinkel von 120 verwendet. Um den Beginn des Eindringens besser feststellen zu können, wird eine Vorlast aufgebracht. Die durch die zusätzliche Prüfkraft erreichte Eindringtiefe wird mit einer Messuhr gemessen und ausgewertet. Um mit der Härte steigende Zahlenwerte zu erhalten, wurde ein Wert von HRC=0 bei einer Eindringtiefe von 0,2mm festgelegt. Jeweils 0,002mm fehlende Tiefe ergeben eine Rockwell-Einheit HRC. Die Härteprüfung nach Rockwell kann auch mit einer Stahlkugel von 1,59mm Durchmesser durchgeführt werden (Verfahren B bzw. F). 3.3 Vickers Bei der Härteprüfung nach Vickers (DIN ) wird eine Diamantpyramide mit einem Öffnungswinkel von 136 verwendet. Die Diagonale d des Eindrucks wird ausgemessen. Die zugehörige Berechnungsformel ist

4 Carl-Engler-Schule Karlsruhe Werkstoffprüfung 4 (6) 4. Zugversuch 4.1 Grundlagen Beim Zugversuch (DIN bis 50146) wird eine standardisierte Werkstoffprobe in Längsrichtung (einachsig) langsam bis zum Bruch gedehnt und die dafür benötigte Kraft (bzw. Spannung) ständig erfasst. Damit lassen sich folgende Größen bestimmen: Elastizitätsmodul E, 0.2-Dehngrenze R p 0,2 Streckgrenze R e, Zugfestigkeit R m, Bruchdehnung A 5, A 10, Brucheinschnürung Z Die Spannung σ ist definiert als Kraft F pro Querschnittsfläche A und wird meist in N/mm 2 angegeben. Da sich beim Versuch die Querschnittsfläche ständig ändert, wird die Spannung (Nennspannung) auf den Anfangsquerschnitt A 0 bezogen. = F A 0 Die Dehnung ε ist definiert als relative Längen- Änderung und wird als Dezimalzahl oder in Prozent angegeben. = l l 4.2 Probenform Die Probenform ist in DIN beschrieben. Die Meßlänge (z.b. 100mm) zwischen zwei eingeritzten Markierungen ist 5-mal bzw. 10-mal so groß wie der Durchmesser. An den Enden ist die Probe zu den Einspannköpfen verdickt, damit der Bruch auch innerhalb der Meßlänge stattfindet. 4.3 Zugprüfmaschine Die Anforderungen sind in DIN festgelegt. Die Einspannung darf keine seitlichen Kräfte übertragen (biegungsfrei). Die Prüfkraft wird mechanisch von einem Elektromotor oder hydraulisch aufgebracht. Zur Messung von Spannung und Dehnung können rein mechanische Meßgeräte oder elektronische Sensorsysteme eingesetzt werden. Die Aufzeichnung erfolgt mit einem mechanischen oder elektronischen Schreiber oder wird von einem Computersystem erfaßt. 4.4 Messung von Spannung und Dehnung Die Spannung wird über die Kraft mit einem Kraft- Meßbügel gemessen, der früher mit einer mechanisch Anzeige, heute mit Dehnungsmeßstreifen und elektronischer Aufzeichnung ausgestattet ist. Die Dehnung läßt sich mit einer mechanischen Anordnung an der beweglichen Proben-Einspannung messen (Martens-Kennedy-Dehnungsfeinmeßgerät, Martens-Spiegelgerät) oder mit elektronischen Wegsensoren erfassen. 4.5 Spannung-Dehnungs-Kurve Der steile, geradlinige Anstieg der Kurve bei kleiner Dehnung beschreibt den elastischen Bereich (Hookesche Gerade). Bei Entlastung verkürzt sich der Prüfstab wieder auf seine ursprüngliche Länge. Die Geradensteigung ist der Elastizitätsmodul E (E- Modul). Dann wird die Kurve nichtlinear und kann (z.b. bei weichem Stahl) auch Unstetigkeiten zeigen. Die Spannung nimmt bis zu einem Maximalwert zu, der Zugfestigkeit R m. Da sich jetzt die Querschnittsfläche durch das Fließverhalten des Materials rasch von selbst verringert, steigt die effektive Spannung viel schneller als die Nennspannung, die trotz Verlängerung wieder absnimmt, bis zum Bruch. 4.6 Kenndaten Elastizitätsmodul E Steigung des linearen Anstiegs Streckgrenze R e Grenze der Spannung ohne nennenswerte bleibende Verformung (z.b. für Federn). Ersatzweise wird die 0.01%-Dehngrenze R p 0,01 angegeben. 0.2-Dehngrenze R p 0,2 Erforderliche Spannung, um die Probe 0.2% über den elastischen Bereich hinaus zu dehnen. Zugfestigkeit R m Maximaler Wert der Nennspannung Bruchdehnung A 5, A 10, Brucheinschnürung Z Nach dem Bruch an der Probe durch Zusammenlegen der beiden Teile gemessen (Index bezieht sich auf den Probentyp).

5 Carl-Engler-Schule Karlsruhe Werkstoffprüfung 5 (6) 5. Zeitstandversuch Die Angabe von σ DVM ist nur zusammen mit der Temperaturangabe sinnvoll. (Zeitdehnlinien zur DVM-Kriechgrenze) 5.1 Grundlagen Bei andauernder starker mechanischer Spannung beginnt ein Festkörper zu kriechen (langsames Fließen). Dabei gibt der Werkstoffaufbau der äußeren Belastung nach und die Bauelemente (Moleküle, Kristallite, Molekülketten) des Proben-Festkörpers verschieben sich in Positionen geringerer Bindungskräfte, was nach einiger Zeit zum Bruch führt. Der Vorgang ist zum großen Teil nicht umkehrbar (irreversibel) und führt zur plastischen Verformung. 5.4 Versuchsaufbau Die stabförmige Probe wird senkrecht eingespannt und einachsig nach unten belastet. Die gesamte Anordnung befindet sich in einem heizbaren Keramikrohr, in dem die Temperatur geregelt werden kann. Zur Messung der Dehnung über eine festgelegte Probenlänge wurden früher mechanisch-optische Systeme (Drehspiegel) eingesetzt, heute finden mechanisch-elektronische Sensorsysteme Verwendung. Es gibt allerdings eine Grenze der Spannung, unterhalb derer das Kriechen nach einiger Zeit zum Stillstand kommt und damit ein Bruch vermieden wird. Diese Grenze ist die Dauerstandfestigkeit, deren Wert von der Temperatur abhängig ist. Da die Dauerstandfestigkeit auch bei langen Versuchszeiten (z.b h) nicht genau zu ermitteln ist, ermittelt man die Zeitstandfestigkeit B. 5.2 Zeitstand-Schaubild Die Zeitstandfestigkeit σ B gibt die ruhende Spannung an, die nach einer festgelegten Belastungszeit zum Bruch führt. Das Diagramm wird meist mit doppelt-logarithmischer Skalierung dargestellt und kann zusätzlich die Zeitstand-Kriechgrenzen enthalten (ruhende Spannung für bleibende Dehnung von z.b. 1%). (Zeitstand-Schaubild, Zeitdehn-Schaubild) 5.3 Zeitdehnlinien für DVM- Kriechgrenze Um die Meßzeiten zu verkürzen, wird oft die DVM- Kriechgrenze bestimmt (DVM Deutscher Verband für die Materialprüfungen der Technik). Dazu werden bei gleicher Temperatur mehrere Proben gleichzeitig 45 h lang unterschiedlichen Belastungen ausgesetzt. Die dabei auftretenden Dehnungen werden aufgezeichnet. Für jede Belastung wird die Änderungsgeschwindigkeit der Dehnung Δε/Δt (Kriechgeschwindigkeit) zwischen der 25. und der 35. Stunde, sowie die bleibende Dehnung nach der Entlastung ε r aus dem Diagramm bestimmt. Die höchste Spannung, bei der weder die Kriechgeschwindigkeit über 0.001%/h noch die bleibende Dehnung über 0.2% liegt, ist die DVM-Kriechgrenze σ DVM.

6 Carl-Engler-Schule Karlsruhe Werkstoffprüfung 6 (6) 6.5 Durchschallungsverfahren 6. Ultraschallprüfung 6.1 Grundlagen Als Ultraschall bezeichnet man akustische Wellen (Dichtewellen) mit Frequenzen über 20kHz. Diese Wellen breiten sich im Prüfstück aus, werden absorbiert und an Grenzflächen und Inhomogenitäten gebeugt und reflektiert. Es werden meist Longitudinalwellen zur Messung verwendet. Durch Intensitäts- oder Laufzeitmessungen lassen sich Strukturen (Risse, Einschlüsse) bis zu 1/10 der Wellenlänge ermitteln. Bei einer Schallgeschwindigkeit in Stahl von z.b m/s ist bei f=500 khz die Wellenlänge l = 10 mm. Bei höherer Frequenz ist die räumliche Auflösung besser, aber die Eindringtiefe geringer. 6.2 Ultraschall-Erzeugung Legt man eine hohe Wechselspannung (z.b. 250V) an einen Piezo-Kristall, dehnt und staucht sich dieser mit der Frequenz der Wechselspannung (Quarzoder PZT-Schwinger: Bleizirkonat-Titanat). Diese Bewegung überträgt sich als Ultraschallwelle auf die umgebende Luft oder das in Kontakt gebrachte Prüfstück. Auch mit dem magnetostriktiven Effekt (Längenänderung bei wechselndem Magnetfeld) läßt sich Ultraschall erzeugen. 6.3 Ultraschall-Nachweis Die Ultraschall-Sender können im Prinzip auch als Empfänger eingesetzt werden, da sowohl der piezoelektrische als auch der magnetostriktive Effekt umgekehrt werden können. Angewendet wird aber meist der Piezoeffekt. 6.4 Resonanzverfahren Mit dem Resonanzverfahren lassen sich Schichtdicken bestimmem. Durch die Reflexion an der Rückseite der Schicht bilden sich bei bestimmten Schallfrequenzen stehende Wellen, die sich im Detektor durch ein erhöhtes Signal bemerkbar machen. Aus dem Abstand dieser Resonanzfrequenzen und der Schallgeschwindigkeit lässt sich die Schichtdicke berechnen. Mit dem Durchschallungsverfahren (auch Durchstrahlungs- oder Intensitätsverfahren) wird ein Schattenbild des Prüfstücks erzeugt. Sender und Empfänger werden auf zwei gegenüberliegenden Seiten des Prüfstücks synchron verfahren. Fehler machen sich durch eine Änderung der Intensität bemerkbar. Auch eine schräge Schalleinkopplung und Detektion des reflektierten Signals auf der selben Prüfstückseite ist möglich. 6.6 Laufzeit-Verfahren Beim Laufzeit-Verfahren werden aus der Laufzeit eines Impulses über eine bestimmte Strecke in einer Richtung die elastische Konstanten des Materials bestimmt. 6.7 Impuls-Echo-Verfahren Am häufigsten wird das sehr empfindliche Impuls- Echo-Verfahren eingesetzt, bei dem, wie beim Radar, die Laufzeiten reflektierter Impulse gemessen werden. Hierfür ist eine umfangreiche Elektronik für die Darstellung auf einem Oszilloskop- Bildschirm erforderlich. Mit dem Schallkopf wird gesendet und empfangen. Die Laufzeit liefert die Information über die Tiefe, in der die Reflexionsstelle im Prüfstück liegt. Aus der Intensität des empfangenen Signals liefert Informationen über die Größe, die Form, die Orientierung, den Reflexionsgrad und die Oberflächenbeschaffenheit des eingeschlossenen Objekts (Riß, Lunker, Inhomogenität). Hierzu sind aber Vergleiche mit bekannten Objekten notwendig. 6.8 Gerätetechnik Die Elektronik mit Bildschirm ist in einem kleinen, tragbaren Gehäuse untergebracht, die vom Netz oder mit Akkus versorgt wird. Der Frequenzbereich geht z.b. von 500 khz bis 15 MHz. Der Prüfkopf wird mit einem HF-Kabel angeschlossen und an das Prüfstück mit Wasser, Fett oder Öl angekoppelt. Ein internationaler Kontrollkörper (DIN 54120) ermöglicht die Kalibrierung für verschiedene Problemstellungen.