Die Verfahren im Detail

Im Zug- oder Stauch-/Druck-versuch können Proben unterschiedlicher Geometrie unter einachsiger Last auf Zug oder Druck getestet werden. Aufgrund des optischen Wegemesssystems kann bei Blechen auch der Anisotropiekoeffizient r gemessen werden. Die Datenerfassung erfolgt im Computer, so dass auch alle typischen Kennwerte automatisch ausgegeben werden können.

Das Werkstoffzentrum Heilbronn verfügt über eine 100 kN Universalprüfmaschine von ZWICK mit einem videoXtens Extensometer zur optischen Dehnungserfassung.

Im Kerbschlagbiegeversuch wird die Zähigkeit eines Werkstoffes bei schlagartiger Belastung anhand der Messung der Bruchenergie bestimmt.

Es ist auch möglich, die Kerbschlagzähigkeit in Abhängigkeit von der Prüftemperatur aufzunehmen.

Im Werkstoffzentrum stehen verschiedene stationäre und mobile Härteprüfer für alle typischen Messverfahren zur Verfügung. Die Mikrohärteprüfung kann insbesondere eingesetzt werden, wenn nur besonders geringe Prüflasten aufgebracht werden sollen. Ein interessantes Einsatzgebiet ist die Bestimmung der Härte einzelner Phasen bei mehrphasigen Werkstoffen.

Der Verschleißprüfstand kann mit verschiedenen Abrasionskörpern (Sticheln) und verschiedenen Auflagengewichten versehen werden. Der Abrasionskörper kann längs- und kreisförmig (auch gleichzeitig) bewegt werden.

Nahezu alle Bauteile im Maschinenbau sind zyklischen Belastungen ausgesetzt. Die Messung der Dauerfestigkeit im Wöhlerversuch ist unverzichtbar für die Auslegung von Konstruktionen. Im Werkstoffzentrum können Festigkeitsuntersuchungen im Umlaufbiegeversuch durchgeführt werden.

Das Werkstoffzentrum Heilbronn verfügt über eine Umlaufbiegeprüfmaschine der Fa. Schenck.

Im Tiefungsversuch nach Erichsen wir die Streckziehfähigkeit eines Werkstoffs untersucht.

Beim Tiefungsversuch nach Erichsen, wird das zu prüfende Blech in die Prüfmaschine eingelegt und durch eine Niederhaltekraft auf der Matrize gehalten.

Eine gehärtete Kugel mit einem Durchmesser von etwa 20 mm drückt dann von unten gegen das Blech und bewirkt dabei eine Kaltverformung.

An zwei Messuhren können die momentane Tiefung (diese entspricht dem Stempelweg) und die dabei auftretende Kraftabgelesen werden.

Der Versuch wird bei Lastabfall, d.h. bei Bildung eines Risses, beendet.

Der Stempelweg bei Riss ist der Tiefungskennwert.

Die Farbeindringprüfung gehört zur Gruppe der zerstörungsfreien Werkstoffprüfungsverfahren.

Das Farbeindringverfahren wird zur Ermittlung von oberflächennahen Fehlern angewendet, zum Beispiel Risse, Bindefehler, Poren, Falten und Überlappungen.

Wegen der einfachen Durchführung des Prüfvorgangs können Oberflächenfehler an keramischen Werkstoffen, Eisen- und Nichteisenmetallen, Glas usw. leicht durchgeführt werden.

Der eigentliche Prüfvorgang ist in der DIN EN ISO 3452-1 [571-1] und DIN 54 152 genormt und unterteilt sich auf vier getrennte Arbeitsgänge :

  1. Vorreinigung
  2. Penetrieren
  3. Zwischenreinigung
  4. Entwickeln


Zunächst wird die Oberfläche des zu prüfenden Bauteils bzw. der zu untersuchenden Oberfläche gereinigt.

Im nächsten Schritt wird ein Eindringmittel z.B. mit einem Pinsel, durch Aufsprühen oder im Tauchverfahren aufgetragen.

Das Eindringmittels dringt aufgrund seines hohes Kriechvermögen in die Ungänzen (Poren, Risse etc.) ein (Penetrieren).

Im nächsten Schritt wird die Oberfläche gereinigt und getrocknet.

Dann wird der Entwickler aufgetragen.

Dies ist ein Pulver, welches ebenfalls durch Kapillarwirkung das in den feinen Störstellen verbliebene Eindringmittel an die Oberfläche zurückzieht und so sichtbar macht.

Der Entwickler hat einen starken farblichen Kontrast zum Eindringmittel (z.B. weiß zu rot).

Mit diesem Verfahren können auch kleinste Fehlstellen leicht und ohne großen Aufwand sichtbar gemacht werden.

Im Werkstoffzentrum Heilbronn wird das Produkt DIFFU-Therm Rissprüfmittel Entwickler für das Verfahren benutzt. Dieses Verfahren ist für eine Verarbeitung in dem Temperaturbereich von –10 °C bis 50 °C ausgelegt.

Bei der Wirbelstromprüfung wird durch eine Spule ein wechselndes Magnetfeld erzeugt, welches in dem zu untersuchenden Material Wirbelströme verursacht.

Dieses Wechselfeld wird durch einen angelegten sinusförmigen Strom erzeugt. Daher ist auch das entstehende Feld ein sinusförmiges Wechselfeld. Das so entstandene magnetische Wechselfeld dringt in das Werkstück ein.

Die Spule, die dieses Feld erzeugt, wird als Erregerspule bezeichnet. Das so entstehende Feld nennt man Primärfeld.

In dem zu prüfendem Werkstück entstehen Wirbelströme. Durch die Bewegung des Wirbelstroms, wird ein weiteres magnetisches Wechselfeld erzeugt. Das sogenannte Sekundärfeld.

Dieses ist dem Primärfeld entgegengerichtet. Das neu entstandene Feld schwächt somit das Primärfeld.

Aufgezeichnet werden die Amplituden- und Phasenverschiebung zum Erregersignal.

Zu der Messung benutzt man üblicherweise eine zweite Spule im Sensor, die sogenannte Empfängerspule.

Genutzt wird bei dieser Prüfung der Effekt, dass durch Verunreinigungen und Fehlstellen eine andere elektrische Leitfähigkeit auftritt. Dadurch kann man Rückschlüsse auf Eigenschaften und den Zustand des zu prüfenden Werkstückes schließen.

Wenn nun im Material ein Riss auftritt, können sich an dieser Stelle keine Ladungsträger bewegen. Dadurch werden die elektrische Leitfähigkeit sowie die Permeabilität geändert.

Da an dieser Stelle keine Wirbelströme entstehen, wird hier kein Sekundärfeld erzeugt. Dies hat Auswirkung auf die Sekundärfeldstärke und verringert diese.

Da das Gesamtsignal in der Empfängerspule aus Primär- und Sekundärfeld zusammengesetzt wird, ergibt sich eine Änderung des Empfängersignals.

Die Ultraschallprüfung gilt als eine der wichtigsten Prüfungen auf dem Gebiet der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung.

In der Ultraschallprüfung werden Materialfehler durch Reflektion und Brechung eines Schallimpuls an ermittelt.

Der Prüfkopf nimmt das Signal auf und verwendet die Zeit zwischen Senden und Empfangen des Impulses zur Berechnung der Wegstrecke. Mit Hilfe der gemessenen Zeitdifferenz wird ein Bild elektronisch erzeugt und die Größe der Fehler können dann abgeschätzt werden.

Es ist ein geeignetes Verfahren bei schallfähigen Werkstoffen zur Auffindung von inneren und äußeren Fehlern, z.B. bei Gussstücken, Walzgut, Halbzeugen oder Rohrleitungen. Die Auswertung der empfangenen Signale lässt dabei Rückschlüsse auf die innere Beschaffenheit des Gegenstandes zu, ohne diesen zu zerstören.

Mit dieser Prü­fung kön­nen sowohl Werkstofffehler wie Lunker, Fremdeinschlüsse, Doppelungen, Risse und Poren nachgewiesen werden.

Ferner können auch Messungen von Wanddicken, Schutzschichten, Bohrungen etc. durchgeführt werden.

Ebenso eignet sich das Verfahren für die Untersuchung von Schweißnähten.

Im Werkstoffzentrum Heilbronn steht das Gerät Olympus EPOCH 1000i zur Verfügung. Dieses Gerät verfügt über eine Phased-Array Darstellung.

Die Ultraschallprüfung wird im Werkstofflabor nur in studentischen Projekten eingesetzt.

Trennen

  • Delta Abrasimet Abrasive Cutter
  • Isomet 4000 Linear precision saw


Warmeinbetten

  • Simplimet 4000 Mounting-Press


Schleifen

  • Metaserv 250 Grinder-Polisher
  • Methode : Nassschleifen auf SiC-Papier der Körnung 320/500/800/1000/1200


Polieren

  • Ecomet 300 Grinder-Polisher
  • Methode: Diamantsuspension mit den Körnungen 6 µm, 3 µm, 1 µm auf Poliertuch 

Mit einer GD-OES können sowohl Schicht- als auch Vollmaterialanalysen metallischer Werkstoffe durchgeführt werden. Das Verfahren beruht auf der Analyse des Lichtes einer Glimmentladung (optische Spektroskopie).

Das Werkstoffzentrum Heilbronn verfügt über eine GDA 750 der Fa. Spectruma.

Bei der Glimmentladungsspektrometrie können dünnste Oberflächenschichten bis in den Nanometerbereich analysiert werden. Schichtanalytik ist ein äußerst wichtiges Verfahren für die Bewertung von Beschichtungsverfahren wie beispielsweise Verchromen oder Vernickeln. Es können aber auch Nitrierschichten oder andere Randschichten, die in Wärmebehandlungsverfahren mit aktiver Atmosphäre erzeugt wurden, analysiert werden.

Dieses Verfahren wird in Kombination mit der Elektronenmikroskopie eingesetzt. Auch bei höchstens Vergrößerungen sind so punktgenaue chemische Analysen möglich.

Wichtig ist dieses Verfahren beispielsweise bei der Charakterisierung von nichtmetallischen Einschlüsse in Stählen.

Mit dem Verfahren der Elektronenrückstreubeugung können die Strukturen von Kristallen analysiert werden.

EBSD ist das Akronym für Electron BackScatter Diffraction.

Der EBSD-Detektor des Werkstoffzentrums Heilbronn ist von der Fa. Bruker und findet Einsatz in einem Elektronenmikroskop.

Durch die Kombination von EBSD mit EDX und dem SEM-Bild des Elektronenmikroskops können komplexe Werkstoffuntersuchungen durchgeführt werden.

Lichtmikroskopie ist das Standardverfahren zur Beurteilung von Gefügen anhand von metallographischen Schliffen.

Makroskope dienen zur Beurteilung größerer Strukturen wie z.B. Schweißnähte, Nietverbindungen, Bruchstellen und vieles mehr. Mit Stereo-Makroskopen kann eine hohe räumliche Auflösung realisiert werden.

Das Werkstoffzentrum Heilbronn verfügt über verschiedene Mikroskope und Makroskope höchster Qualität:

Wild M3Z Heerbrugg Switzerland (Makroskopie)

  • Objektiv mit Arbeitsabstand von ca. 100mm
  • Zoombereich 6,5 x – 40 x
  • extra lange Triebachse


Olympus SZX9 (Makroskopie)

  • Vergrößerungsbereich von 0,63x – 5,7x


Olympus BX51M (Mikroskopie)


  • universell einsetzbares Mikroskop
  • flexibel und vielseitig

Rasterelektronenmikroskope finden Anwendung zur Sichtbarmachung auch kleinster Strukturen im Nanobereich.

Aufgrund der hohen Tiefenschärfe finden Rasterelektronenmikroskope sehr häufigen Einsatz in der Analyse von Bruchflächen und kleinsten Materialungänzen bei der Schadensanalyse.

Das Werkstoffzentrum Heilbronn verfügt über ein REM der Fa. Jeol.

Durch Stromdichte-Potentialmessungen können quantitative Aussagen über Korrosionsvorgänge gemacht werden.

Typische Untersuchungsgrößen sind die Lage des Ruhepotentials sowie derAktiv- oder Passiv-Zustand von Metallen.

Die Avesta-Zelle findet Einsatz bei der Untersuchung des Lochfraßpotentials bei rostfreien Edelstählen oder Aluminium.

Bei der Salzsprühnebelprüfung werden Bauteile einer definierten korrosiven Atmosphäre ausgesetzt.

Abhängig von der Korrosionsanfälligkeit ist eine unterschiedlich ausgeprägte Schädigung der Bauteile erkennbar.

Das Werkstoffzentrum der Hochschule Heilbronn verfügt über eine hochmoderne Wärmebehandlungsanlage zum Gasnitrieren und Nitrocarburieren. Dies sind thermochemische Verfahren, bei denen die Oberflächen von Bauteilen mit Stickstoff und/oder Kohlenstoff angereichert werden und so die Verschleißfestigkeit, die Oberflächenhärte und die Dauerbelastbarkeit gesteigert werden. Gleichzeitig wird das Korrosionsverhalten verbessert.

Nitrieren ist das Verfahren der Wahl, wenn Bauteile höchste Qualitätsstandards erfüllen müssen. Anwendungsgebiete sind Maschinen- und Werkzeugbau, Medizintechnik, Luft- und Raumfahrtindustrie sowie die Automobilindustrie.

Typische Werkstoffe, die nitriert werden können, sind niedriglegierte und legierte Stähle. Auch das Nitrieren von korrosionsbeständigen Stählen ist möglich und wird aktuell im Rahmen der Forschungsaktivitäten des Werkstoffzentrums untersucht.

Beim Gasnitrieren wird ein stickstoffspendendes Gas eingeleitet (Ammoniak), welches dazu führt, dass Stickstoff in die Oberfläche eindiffundieren kann. Bei speziellen Prozessen können zusätzlich kohlenstoffspendende Gase zugegeben werden.

Der Stickstoff in der Oberfläche führt dazu, dass sich eine extrem harte Schicht bildet. Diese sogenannte Verbindungsschicht besteht aus Nitriden. Unterhalb dieser Schicht führt der gelöste Stickstoff zusammen mit Nitritausscheidungen ebenfalls zu einer Härte- und Festigkeitssteigerung des Gefüges und stützt so die Verbindungsschicht. Der beim Nitrocarburieren eingebrachte Kohlenstoff führt zu verbesserten Gleit- und Verschleißeigenschaften.

Da Nitrieren bei vergleichsweise niedrigen Temperaturen erfolgt (ca. 500 °C), findet im Bauteil keine Gefügeumwandlung statt, sodass durch den Wärmebehandlungsprozess keine Verzüge erzeugt werden. Dies führt zu wirtschaftlich günstiger Bauteileveredelung ohne nachfolgende Nachbearbeitung.

Nitrieren ist hervorragend geeignet, Bauteile zu veredeln, die höchsten Belastungen standhalten müssen. Das Werkstoffzentrum ist mit seinem Nitrierofen industrieller Bauart in der Lage, industrienah zu forschen und innovative Entwicklungen voranzutreiben. Akademische und industrielle Projekte können bearbeitet werden.


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