Wichtige Methoden der Werkstoffprüfung: Schlag, Ermüdung, Härte

Schlagprüfung (Shock Test)

Schlagprüfungen bewerten die Sprödigkeit oder die Fähigkeit eines Materials, schlagartige Belastungen aufzunehmen. Dies ist wichtig, um zu überprüfen, wie sich das Material verhält, wenn eine Maschine ausfällt oder die Struktur unter spröden Arbeitsbedingungen steht.

Charpy-Methode

Biegung durch Schlag an einfachen Stäben. Die Proben werden flach auf die Maschine gelegt, wobei die Kerbe der Schlagrichtung gegenüberliegt.

Izod-Methode

Biegung eines eingespannten Stabes durch Schlag. Die Probe wird vertikal als Kragarm positioniert, wobei die Kerbe in Schlagrichtung zeigt.

Ermüdung (Fatigue)

Ermüdung ist der Bruch eines Materials, der durch systematisch wiederholte Änderungen der Spannung (Zug, Druck, Biegung oder Torsion) verursacht wird.

Klassifikation von Ermüdungsversuchen

• Konstante Amplitude: Bewertet die Ermüdungsleistung unter standardmäßigen Lastwechseln oder Verformungen, meist mit sinusförmiger Amplitude und konstanter Frequenz.
• Variabler Amplitude: Beurteilt die Wirkung kumulierter Schäden durch die zeitliche Variation der Belastungsamplitude.

Hochzyklische Ermüdung

Lastspektrum mit konstanter Amplitude und einfacher Dauerbelastung, in der Regel sinusförmig.

Parameter zur Definition des Zyklus

• Mittlere Spannung (Pm): P_m = (P₁ + P₂) / 2
• Wechselspannungsamplitude (P_a): P_a = (P₁ - P₂) / 2
• Spannungsverhältnis (R): R = P₁ / P₂

Belastungsarten

• Alternierend: Die Spannungen ändern abwechselnd ihr Vorzeichen.
• Pulsierend (Pd): Die Spannung variiert von Null bis zu einem Maximalwert (oder umgekehrt) und behält dabei das gleiche Vorzeichen bei.
• (+) Zugbelastung, (-) Druckbelastung.

Frequenzbereiche

• Niedrig: f < 5 Hz
• Mittel: 5 Hz < f < 30 Hz
• Hoch: 30 Hz < f < 150 Hz
• Sehr Hoch (Fein): f > 150 Hz

Ursprung des Ermüdungsbruchs in Metallen

Der Bruch entsteht durch plastische Verformung der Mikrostruktur. Atomare Körner werden nahe der Metalloberfläche erzeugt und durch Leerstellen getrennt (Rissbildung).

Härteprüfung

Härte ist der Widerstand eines Körpers gegen das Eindringen oder Zerkratzen durch einen anderen Körper. Damit können wichtige Materialeigenschaften ermittelt werden.

Härteverfahren

• Statische Eindringprüfung
• Rückprallprüfung (Rebound-Test)
• Ritzprüfung (Scratch-Test)
• Prüfung auf Abrieb oder Erosion

Eindringprüfung (Penetration Test)

Misst den Widerstand eines Materials gegen die Durchdringung oder plastische Verformung, wenn ein definierter Eindringkörper (Penetrator) mit vordefinierten Lasten in das Material gedrückt wird.

Brinell-Härte (HB)

Eine sehr harte Stahlkugel wird für eine bestimmte Zeit auf die Materialoberfläche gepresst, um einen kalottenförmigen Eindruck zu erzeugen.

Formel: HB = P / S oder HB = 2P / (π * D * (D - √(D² - d²))) kgf/mm²

Details zur Brinell-Prüfung

• Kugeldurchmesser: 15 mm, 5 mm, 2,5 mm, 2 mm, 1 mm.
• Härtebereich: Stahlkugel bis 450 HB; Wolframkarbidkugel bis 630 HB.
• Haltezeit: Stahl (15 Sek.), weiche Metalle (30 Sek.).
• Lasten: 3000 kgf, 1500 kgf, 500 kgf.

Rockwell-Härte (HR)

Basiert auf der Eindringtiefe unter Verwendung einer Vorlast und einer zusätzlichen Hauptlast.

• Vorlast: 10 kgf.
• Zusatzlasten: 50 kgf, 90 kgf, 140 kgf.
• Eindringkörper: Kugeln (1/16", 1/8", 1/4", 1/2" Durchmesser) oder Diamantkegel.
• HRC (Rockwell C): Mit Diamantkegel und 150 kg Last.
• HRB (Rockwell B): Mit Kugel (1/16") und 100 kg Last.

Vickers-Härte (HV)

Ähnlich wie bei Brinell, abhängig von der aufgebrachten Last und der Oberfläche des Eindrucks.

• Lastbereich: 1 kgf bis 120 kgf.
• Eindringkörper: Diamantpyramide (quadratische Grundfläche).

Zugprüfung (Tension)

Einfacher Zug

Tritt auf, wenn eine normale und gleichmäßig verteilte Belastung auf den Querschnitt eines Körpers angewendet wird, um eine Dehnung zu erzeugen.

Statische Zugprüfung

Ermöglicht die Bestimmung folgender Werte: Streckgrenze, maximale Belastung, statische Festigkeit.