WIW-Werkstoffkunde-Labor

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1 WIW-Werkstoffkunde-Labor 1. Zerstörungsfreie Werkstoffprüfung/Werkstoffanalyse: Röntgenfluoreszenz-Analyse (RFA): Die Röntgenfluoreszenz-Analyse ist eine physikalische Methode, um Art und Menge von Elementen in Werkstoffen zu bestimmen. Zusätzlich lassen sich damit auch Kunststoffe klassifizieren, Schadstoffe in Gebrauchsgegenständen detektieren und Schichtdicken messen. Um ein sicheres Arbeiten während der Laborveranstaltungen zu gewährleisten wird unser Analysator ausschließlich in einer abgeschirmten Schutzkammer betrieben. Folgende Messprogramme stehen uns dabei zur Verfügung: Legierungen, Edelmetalle, Kunststoffe und Schichtdicken. Dadurch ist dieses Gerät universell einsetzbar und entspricht dem Stand der Technik in vielen Wareneingangskontrollen und Recyclingbetrieben. Optische Emissionsspektrometrie (OES): In vielen Gießereien sowie in der gesamten metallerzeugenden und -verarbeitenden Industrie wird die optische Emissionsspektrometrie zur Prozess- und Qualitätskontrolle eingesetzt. Mit Hilfe des dabei zum Einsatz kommenden Funkenspektrometers lassen sich die in metallischen Werkstoffen vorhandenen chemischen Elemente von geringsten Mengen bis hin zu hohen Konzentrationen wie beispielsweise in hochlegierten Stählen analysieren. Dabei wird das Material punktuell verdampft und die freigesetzten Atome und Ionen zur Emission von Lichtwellen angeregt. Ein optisches System ermittelt anhand der verschiedenen Wellenlängen die Zusammensetzung des Werkstoffs. Ultraschallprüfung (OES): Eines der wichtigsten zerstörungsfreien Prüfverfahren ist die Ultraschallprüfung. Verborgene Fehler in Bauteilen aus verschiedenen Werkstoffen wie z. B. Metalle, Keramiken, Kunststoffe und Verbundmaterialien lassen sich mit Ultraschall nachweisen. Ganz besonders bei sicherheitsrelevanten Bauteilen nimmt die Ultraschallprüfung eine wichtige Rolle ein. Ein weiterer Anwendungsfall ist die Wanddickenmessung.

2 In unserem Labor kommt ein modernes Ultraschallprüfgerät zum Einsatz, welches sich sowohl für die konventionelle Prüftechnik aber auch für Gruppenstrahlertechnik (phased array) eignet. In der praktischen Laborübung können mit diesem Gerät die zuvor vermittelten Grundlagen über die Arbeitsweise des Impuls-Echo-Verfahrens und der Wellentheorie anschaulich angewandt werden. Neben verschiedenen Prüfköpfen steht uns zusätzlich auch ein Wanddickenmessgerät zur Verfügung. Leitfähigkeitsprüfung mit Wirbelstrom: Die elektrische Leitfähigkeit ist eine wichtige Materialeigenschaft, die nicht nur Auskunft darüber gibt, wie gut ein Metall elektrischen Strom leitet, sondern auch Aussagen über dessen Zusammensetzung, Mikrostruktur oder mechanische Eigenschaften gestattet. Das im Labor verwendete Leitfähigkeitsmessgerät misst die elektrische Leitfähigkeit von nichtmagnetisierbaren Metallen nach dem Wirbelstromverfahren auch unter einer Lack- oder Kunststoffbeschichtung von bis zu 0,5 mm Dicke. Daher lassen sich beispielsweise auch Außenhautteile von Flugzeugen im Rahmen von Routineuntersuchungen auf Mikrorisse prüfen, welche die Leitfähigkeit beeinflussen. Farbeindringprüfung/Magnetpulverprüfung: Ein sehr einfaches aber zweckmäßiges Prüfverfahren stellt die Farbeindringprüfung dar. Sie gehört zu den ältesten und am häufigsten verwendeten zerstörungsfreien Prüfverfahren und dient dem zuverlässigen Aufspüren von oberflächennahen Fehlern wie beispielsweise in Schweißnähten oder Alufelgen. Der Aufwand ist verhältnismäßig gering und die Prüfung kann direkt an Bauteilen oder Maschinen aus verschiedenen Werkstoffen durchgeführt werden. Eine aufgebrachte fluoreszierende Farbe dringt selbst in kleinste Risse ein und kann nach dem Auftragen eines Entwicklers sichtbar gemacht werden. An einigen ausgewählten Bauteilen aus der Praxis führen wir in unserem Labor die einzelnen Verfahrensschritte durch und lernen dabei auch die rissgefährdeten Bereiche kennen. Ein weiteres Verfahren zur Detektion von Fehlern auch unterhalb der Oberfläche ist die Magnetpulverprüfung, welche für ferromagnetische Bauteile eingesetzt werden kann. Es findet primär Verwendung bei der Prüfung von Sicherheitsteilen im Automobilbau sowie bei Schweißnähten. Durch eine Magnetisierung bilden sich im Bauteil Feldlinien. Werden diese durch Materialfehler gestört, kommt es zu Streufeldern, welche mit einem Eisenpulverfluid sichtbar gemacht werden können. Wir verwenden dabei das Schwarz/Weiß-Verfahren, wie es hauptsächlich im Außenbereich bei der Prüfung von Schweißnähten an Seilbahnmasten oder Pipelines zum Einsatz kommt.

3 2. Mechanische Werkstoffprüfung: Zur Beurteilung des Werkstoffverhaltens unter verschiedenen äußeren Belastungen spielen die mechanischen Werkstoffkennwerte wie Festigkeit, Verformbarkeit und Härte eine große Rolle. Um sie reproduzierbar ermitteln und untereinander vergleichen zu können, kommen unterschiedliche mechanische Werkstoffprüfverfahren zum Einsatz. Zugversuch: Bei der Zugprüfung von genormten Proben mit einer definierten gleichmäßigen Geschwindigkeit bis zum Bruch werden die Werkstoffkennwerte Zugfestigkeit, Streckgrenze, Dehnung, Einschnürung und E-Modul anhand eines Spannungs- Dehnungs-Diagramms ermittelt. Diese Werte gehen bei der Dimensionierung und Auslegung von Bauteilen in zahlreiche Berechnungen ein. In unserem Labor werden die Versuche an zwei Universalprüfmaschinen mit Zugkräften von 10 kn und 100 kn durchgeführt. Neben der Zugprüfung lassen sich damit auch Druck-, Biege- und verschiedene Sonderprüfungen durchführen. Ein Torsionsantrieb mit einem Drehmoment von 100 Nm ermöglicht zudem die Torsionsprüfung an Kunststoffen und Verbundmaterialien. Kerbschlagbiegeversuch: Die Zähigkeit von gekerbten Werkstoffproben unter der Einwirkung einer schlagartigen Beanspruchung wird mit einem Pendelschlagwerk ermittelt. Die Geschwindigkeit des Pendelhammers beträgt dabei 5 m/s. Dieser seit über hundert Jahren angewandte Versuch zeigt eindrücklich, wie sich die Zähigkeit eines Werkstoffes durch Temperatureinflüsse und/oder verschiedene Bearbeitungsverfahren verändert und in welchem Anwendungsbereich ein mögliches Bauteilversagen zu erwarten ist. Härteprüfung: Die Härte von Werkstoffen ist ein wichtiges Kriterium für deren Einsatzfall, wenn es um Fragen über den zu erwartenden Verschleiß oder den Behandlungszustand geht. Es gibt dabei verschiedene, den jeweiligen Materialien und Geometrien, angepasste Härteprüfverfahren. Sie alle haben gemeinsam, dass sie sehr schnell durchgeführt werden können und dass das Bauteil in der Regel dadurch nicht unbrauchbar wird.

4 3. Metallographie: Unser Metallographielabor ermöglicht einen Einblick in das Gefüge verschiedener Werkstoffe. Hierzu stehen modernste Geräte zur Entnahme, Präparation und Betrachtung der Proben zur Verfügung. Für eine Präparation zu großer Bauteile können mit Hilfe einer Präzisionstrennmaschine gezielt Proben sehr genau und verformungsfrei entnommen werden. Eine integrierte Kühlung verhindert dabei eine zu starke Erwärmung. Das anschließende Einbetten der Proben in Kunststoff dient einer besseren und schonenderen Handhabung und kann entweder im Kalteinbettverfahren unter Verwendung eines Vakuumtopfs oder zeitsparend in einer Warmeinbettpresse erfolgen. Für beide Verfahren stehen je nach Anwendungsfall unterschiedliche Einbettmittel zur Verfügung. In einem Schleif- und Polierautomat können anschließend bis zu sechs eingebetteter Proben gleichzeitig geschliffen und poliert werden. In mehreren Bearbeitungsstufen mit verschiedenen Schleif- und Polierscheiben entstehen sog. Schliffe mit einer für die mikroskopische Betrachtung geeigneten spiegelglatten Oberfläche. Als weiterer Präparationsschritt kann das Gefüge vor der Betrachtung noch angeätzt werden, damit die verschiedenen Bestandteile besser sichtbar gemacht werden können. Nach einer abschließenden Reinigung im Ultraschallbad lassen sich die fertigen Schliffe an einem vorhandenen Lichtmikroskop mit bis zu 1000-facher Vergrößerung betrachten und mit einer Kamera sowie einer Gefügeanalysesoftware können Aufnahmen und Auswertungen erstellt werden. Die lichtmikroskopischen Untersuchungsmethoden lassen sich unterteilen in qualitative (Identifikation des Gefüges und dessen Zustand) und quantitative Gefügeanalyse (Menge, Größe und Form der einzelnen Bestandteile). Ein Stereomikroskop dient zur Betrachtung von Oberflächen beispielsweise bei Brüchen und ein hochauflösendes Laserscanning-Mikroskop ermöglicht darüber hinaus noch die Analyse von Oberflächentopographien.

5 4. Kunststofferkennung: Zur schnellen Bestimmung von Kunststoffen genügen meist einfache Mittel und Methoden. Dazu gehört zunächst die Haptik- und Klangprüfung welche durch eine Beurteilung des Brennverhaltens sowie eine ph-wert- und Dichtbestimmung sehr leicht ergänzt werden kann. In unserem Labor für Kunststofferkennung werden diese verschiedenen Methoden anschaulich an einer Vielzahl von Kunststoffarten vermittelt. Dabei legen wir besonderen Wert auf die Einhaltung von Sicherheitsregeln und führen diese Versuche nur mit entsprechender Schutzausrüstung durch. Da viele unserer Studierenden im beruflichen Alltag mit Kunststoffen in zahlreichen Einsatzfällen in Berührung kommen, ist diese Laborveranstaltung ein wichtiger Bestandteil unserer Lehre. Neben diesen einfachen Methoden gewähren wir einen Einblick in moderne apparative Untersuchungsverfahren. Vor allem neuartige Kunststoffe mit Beimengungen in Form von Füllstoffen oder Compounds machen die Anwendung solcher Geräte erforderlich. Mit der thermogravimetrische Analyse (TGA) wird die Massenänderung einer Probe in Abhängigkeit von Temperatur und Zeit gemessen. Dadurch können zum Beispiel Zersetzungsreaktionen oder ein Entweichen von flüchtigen Komponenten bestimmt werden. Auch bei der Kunststoffprüfung findet die Röntgenfluoreszenz-Analyse Anwendung. Das spezielle Messprogramm Plastics ermöglicht dabei ein Screening von typischen Begleitelementen wie Füllstoffen, Farbstoffen und Additiven. Es dient aber auch zur Analyse von Schadstoffen und toxischen Elementen wie Schwermetallen beispielsweise in Spielwaren oder Elektronikbauteilen.