Materialprüfung: Verfahren und Methoden im Überblick

Härteprüfung

In der Metallurgie wird die Härte mit einem Durometer durch ein Eindringverfahren bestimmt. Je nach Art der verwendeten Spitze und der angewandten Last gibt es verschiedene Skalen für unterschiedliche Härtebereiche. Die gängigen industriellen Skalen sind:

• Brinellhärte: Verwendet eine Kugel aus gehärtetem Stahl oder Hartmetall. Sehr präzise bei harten Materialien, jedoch ungenau bei Platten unter 6 mm Dicke. Ermöglicht eine Schätzung der Zugfestigkeit.
• Rockwell-Härte: Verwendet eine konische Diamantspitze (oder Stahlkugel). Sie ist am weitesten verbreitet, da die Härte direkt gemessen wird. Aufgrund des kleinen Eindrucks gilt sie oft als zerstörungsfreie Prüfung.
• Rockwell oberflächlich: Eine Variante zur Charakterisierung dünner Werkstücke wie Rasierklingen oder gehärteter Oberflächenschichten.
• Webster-Härte: Manuelle Messung für schwer zu handhabende Teile wie Strangpressprofile. Die Werte werden oft in Rockwell umgerechnet.
• Vickers-Härte: Verwendet eine pyramidenförmige Diamantspitze. Besonders geeignet für weiche Materialien und Bleche ab 2 mm Dicke.
• Shore-Härte: Verwendet ein Skleroskop, bei dem ein Eindringkörper auf die Oberfläche fällt und zurückprallt. Die Methode ist dimensionslos und flexibel, da sie ohne bleibende Eindringung auskommt.

Ultraschallprüfung

Ein Material kann elastische Wellen übertragen und reflektieren. Ein Ultraschallwandler aus Quarz, Bariumtitanat oder Lithiumsulfat nutzt den piezoelektrischen Effekt, um hochfrequente Impulse (meist über 100.000 Hz) in das Material einzuleiten. Diese erzeugen Kompressionswellen, deren Ausbreitungsgeschwindigkeit vom Elastizitätsmodul und der Dichte des Materials abhängt.

Zugversuch

Beim Zugversuch wird eine standardisierte Probe einer axialen Zugkraft bis zum Bruch ausgesetzt. Dabei lassen sich verschiedene Materialeigenschaften bestimmen:

• Elastizitätsmodul: Quantifiziert die Proportionalität zwischen Spannung und Dehnung.
• Poisson-Zahl: Verhältnis von Längsdehnung zu Querkontraktion.
• Proportionalitätsgrenze: Spannungswert, bis zu dem die Dehnung proportional zur Last ist.
• Streckgrenze: Spannungswert, bei dem das Material in den plastischen Bereich übergeht.
• Dehngrenze: Spannungswert bei einer definierten bleibenden Dehnung (z. B. 0,2 %).
• Zugfestigkeit: Maximale Last, bezogen auf den ursprünglichen Querschnitt.
• Bruchdehnung: Prozentuale Längenänderung der Probe nach dem Bruch.
• Einschnürung: Querschnittsreduzierung im Bereich der Bruchstelle.

Resilienzprüfung

Die Resilienz (Kerbschlagzähigkeit) beschreibt die Energie, die ein Material vor dem Eintritt einer irreversiblen plastischen Verformung absorbieren kann. Sie entspricht der Fläche unter der Spannungs-Dehnungs-Kurve bis zur Streckgrenze. Bestimmt wird sie meist durch den Izod- oder Charpy-Pendelschlagversuch. Ein hoher Wert ist charakteristisch für zähe Materialien wie austenitische Stähle.

Druckprüfung

Die Druckprüfung misst das Verhalten eines Materials unter einwirkenden Druckkräften, die eine Volumenverringerung anstreben. Sie ist besonders relevant für spröde Materialien wie Stein. Herausforderungen bei der Prüfung sind die exakte zentrische Krafteinleitung und die Wahl der Probengeometrie.

Dauerfestigkeit und ZfP

Die Ermüdung von Werkstoffen beschreibt den Bruch unter schwingender dynamischer Belastung, der oft bereits unterhalb der statischen Zugfestigkeit eintritt. Dies ist die häufigste Ursache für Bauteilversagen (ca. 90 %).

Zerstörungsfreie Prüfung (ZfP)

1. Oberflächenprüfung: VT (Sichtprüfung), PT (Eindringprüfung), MT (Magnetpulverprüfung), ET (Wirbelstromprüfung).
2. Volumetrische Prüfung: RT (Radiographie), UT (Ultraschall), AE (Schallemissionsanalyse).
3. Dichtheitsprüfung: LT (Lecksuche mittels Druckänderung, Massenspektrometer oder Halogenspürgas).

Weitere gängige Verfahren umfassen die Schwingungsanalyse, Metallographie, Thermografie und ACFM.