Werkstoffprüfung: Zugversuch, Kennwerte und Härteprüfung

Warum werden Werkstoffprüfungen durchgeführt?

• Identifizierung von Materialeigenschaften: Bestimmung der möglichen Verwendung von Materialien.
• Qualitätskontrolle: Überwachung in der Fertigung.
• Analyse: Bestimmung der Vorgeschichte und Zusammensetzung von Materialien.
• Schadensanalyse: Festlegung der Ursachen für das Versagen eines Materials im Betrieb.
• Forschung: Studie über neue Arten von Materialien.

Der einachsige Zugversuch

Der einachsige Zugversuch wird mit einer Standard-Probe bei einer konstanten Lastgeschwindigkeit durchgeführt. Es handelt sich um eine zerstörende Prüfung.

Mechanische Kennwerte und Gesetze

Hookesches Gesetz (Elastizität)

σ_n = E · ε_n [MPa = 10⁶ N/m² = kg/mm²]

Vergleich der Elastizitätsmodule: E_Keramik > E_Metall > E_Polymer. Der E-Modul korreliert mit der Schmelztemperatur (T_fusion) und der Bindungsenergie (F-Bindung).

Poissonzahl (Querkontraktionszahl)

ν = -ε_lateral / ε_längs

Streckgrenze (σ_y)

Die Streckgrenze wird oft bei einer bleibenden Dehnung von ε = 0,2 % bestimmt. Bei Polymeren gilt: (σ_max + σ_min) / 2.

Zugfestigkeit (R_m)

Die maximale Nennspannung, die die Zugprobe während des Versuchs unterstützt.

Bruchfestigkeit

Die Spannung, die das Material am Punkt des Bruchs aufweist.

Duktilität und Zähigkeit

Duktilität

Der Grad der plastischen Verformung, den ein Material vor dem Bruch aushalten kann.

• Gesamtdehnung (%): 100 · (Länge Ende - Länge Anfang) / Länge Anfang. Dies gibt Aufschluss über die Materialqualität sowie Defekte oder Poren.
• Einschnürung (% Reduz. Area): 100 · (Anfangsfläche - Endfläche) / Anfangsfläche.

Zähigkeit

Die Fähigkeit, Energie bis zum Versagen durch elastische und plastische Verformung aufzunehmen. Eine große Fläche unter der Spannungs-Dehnungs-Kurve bedeutet hohe Duktilität; eine kleine Fläche deutet auf ein sprödes (zerbrechliches) Material hin.

Resilienz (Ur)

Fähigkeit eines Materials, Energie elastisch zu absorbieren. Ur = 0,5 · (σ_y)² / E.

Wahre Spannung und Verformung

Wahre Dehnung: ε_real = ln(1 + ε_n) = ln(A₀ / A) = 2 · ln(D₀ / D)

Wahre Spannung: σ_real = σ_n · (1 + ε_n) = σ_n · (A₀ / A) = σ_n · (L / L₀)

Spezifische Materialeigenschaften

Kaltverfestigung und Härtung

Plastische Verformung führt zu erhöhtem Widerstand (Strain Hardening). Bei festen Lösungen verbessert dies die Festigkeit. Es beeinflusst jedoch die Duktilität, Korrosionsbeständigkeit und elektrische Leitfähigkeit. Weitere Verfahren sind Ausscheidungshärtung und Reduktion der Korngröße.

Mechanische Eigenschaften von Keramiken

Keramiken besitzen hohe Schmelztemperaturen, sind hart, brüchig und oft porös. Sie zeigen meist nur eine elastische Zone bis zum Bruch (MOR - Modulus of Rupture). Sie sind unter Druckbelastung deutlich stabiler als unter Zugspannung und besitzen einen geringen Weibull-Modul.

Mechanische Eigenschaften von Polymeren

Bei Polymeren führt eine Erhöhung der Verformungsgeschwindigkeit zu steigender Sprödigkeit und sinkender Bruchdehnung. Eine Temperaturerhöhung senkt den Elastizitätsmodul und die Bruchfestigkeit, erhöht jedoch die Bruchdehnung.

Verfahren der Härteprüfung

Brinellhärte (HBW)

Verwendung einer Wolframkarbid-Kugel (WC) mit Durchmesser D.
HBW = P / (π · D · 0,5 · (D - √(D² - D_i²)))
Lastfaktor Q = P / D²

Rockwell-Härte (HRX)

Verwendung einer Stahlkugel (Skalen B, F, G) oder eines Diamantkegels (Skalen A, C, D).
HR = N - (h / S), wobei h die bleibende Eindringtiefe beschreibt.

Vickers-Härte (HV)

Verwendung einer Diamantpyramide mit einem Flächenwinkel von 136°.
HV = 1,854 · F / d²

Knoop-Mikrohärte

Ähnlich wie Vickers, wird jedoch mittels Mikroskopie durchgeführt; eine präzise Messskala ist erforderlich.