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Universalprüfmaschine

Mithilfe von Universalprüfmaschinen lassen sich Zug-, Druck- sowie Biegeversuche durchführen. Es können Zerreißproben geprüft werden, indem eine Probe solange unter Zug belastet wird, bis sie zerreißt. Gleichzeitig werden die Kennwerte der Prüfung von der Maschine aufgenommen und sie erstellt aus ihnen entsprechende Diagramme. Dazu zählen z. B. Spannungs-Dehnungs-Diagramme. Bei der Zerreißprobe wird das Kraft-Weg-Diagramm, welches Informationen über die Belastbarkeit, Elastizität und plastische Verformung der Probe liefert, aufgenommen.

Bei einem Zugversuch wird eine ungekerbte Probe (flach oder rund) in eine Prüfmaschine eingespannt und in Richtung der Stabachse mit konstanter Verformungsgeschwindigkeit bis zum Zerreißen gedehnt. Dabei erfasst die Prüfmaschine den Zusammenhang zwischen Zugkraft und Verlängerung der Probe als Kraft-Verlängerungs-Diagramm, welches auch Maschinendiagramm genannt wird. Kraft und Verlängerung werden durch die Probengeometrie und den Werkstoff bestimmt. Dadurch lässt sich auch das Spannungs-Dehnungs-Diagramm ableiten. Die Probe ist eine aus dem zu prüfenden Werkstoff genormte Werkstückprobe, die mit einer senkrecht zur Querschnittfläche wirkende Kraft belastet wird.

Um Werkstoffe unter Druckbelastung zu überprüfen, werden Rundproben, die i. A. wesentlich dicker als Zugproben sind, unter Druck beansprucht. Um sicher zu gehen, dass die Probe während der Belastung nicht umknickt, misst die Probehöhe maximal das doppelte des Durchmessers. Bevor die Druckbelastung vorgenommen wird, wird die Druckprobe zwischen zwei Druckplatten eingespannt. Die Dauer des Druckversuchs ist nicht genau definiert. Spröde Werkstoffe werden bis zum Bruch belastet und duktile, bis sich ein Anriss bemerkbar macht. Die während des Versuchs aufgenommene Kraft-Weg-Kurve, wird ein Druckspannungs-Stauchungs-Diagramm überführt. Wegen des Ausbauchungseffekts während des Druckversuchs vergrößert sich die Querschnittsfläche. Wird die Elastizitätsgrenze eines Werkstoffes überschritten, bleibt eine Verformung auch bei Wegnahme der Kraft. Diese Grenze macht sich im Diagramm anhand des Übergangs vom nahezu geradlinigen Verlauf in den gekrümmten Verlauf der Kurve sichtbar. Diese Grenze wird auch „Quetschgrenze“ genannt. Bei manchen Werkstoffen ist diese Grenze nicht sichtbar, weil der Verlauf von geradlinig zu gekrümmt stetig verläuft. Für diese Werkstoffe werden Stauchgrenzen ausgewiesen.

Um das quasistatische Verformungsverhalten von Werkstoffen zu ermitteln, verfügt das Werkstoffzentrum Heilbronn über eine Universalprüfmaschine aus dem Hause Zwick. Die Zwick Z100 SN ermöglicht Zug- und Druckversuche auf einachsiger Last mit einer Prüfkraft vonbis zu 100 kN. Sie ist mit einer pneumatischen Einspannvorrichtung ausgestattet und ist spindelgetrieben. In einer Prüfraumbreite von 630 mm und einer Prüfraumhöhe von bis zu 1825 mm lassen sich Versuchsproben unterschiedlicher Geometrien einspannen und testen.

Die Prüfungen werden allesamt mit der Prüfsoftware testXpert II durchgeführt, welche die Prüfvorgänge von der Vorbereitung über die Durchführung bis hin zur Ergebnisanalyse begleitet. Ebenso bietet testXpert II für fast jede Norm die richtige Prüfvorschrift und erfüllt diese auch garantiert. Es sind umfassende Ergebnis- und Statistiktabellen sowie Grafiken, Toleranzanzeigen, Eingabedialoge und Layoutelemente frei wählbar.

Die Probe wird beim Zugversuch mit genormter Geschwindigkeit gedehnt. Die Enden der Probe werden kontinuierlich und langsam auseinandergezogen. Das Ergebnis der Zugprobe wird in einem Spannung-Dehnungs-Diagramm dargestellt, in welchem man das Verhalten eines Werkstoffs am besten erkennt.

Kraft und Verlängerung sind Anfangs in dem Bereich, in der der Werkstoff noch elastisch ist, proportional zueinander. Bei Entlastung der Probe innerhalb dieses Bereiches würde sich die Probe in die ursprüngliche Länge zurückfedern. Das Ende dieses elastischen Bereichs ist bei Werkstoffen mit ausgeprägter Streckgrenze deutlich zu erkennen, da die plastische Verformung schlagartig eintritt. Diese äußert sich in einem plötzlichen Kraftabfall. Es tritt ein fast konstantes Kraftniveau auf. Nach der Lüdersdehnung steigt die Kraft weiter an. Danach verfestigt sich der Werkstoff und bis zum Höchstlastpunkt dehnt sich die Probe gleichmäßig, bis sie schließlich einschnürt und bricht.

Bei Werkstoffen ohne ausgeprägte Streckgrenze endet der elastische Bereich nicht mit einem plötzlichen Lastabfall, sondern geht fließend in den plastischen Bereich über. Im weiteren Verlauf dehnt sich die Probe gleichmäßig bis die Maximalkraft erreicht ist. Sie schnürt bei duktilen Materialien dann ein und bricht schließlich.

Die Z100 SN bietet verschiedene Backen für individuelle Versuche, z. B. Flach- oder Rundproben von 4 mm bis 30 mm Durchmesser. Zum Zubehör gehören auch speziell gehärtete Stauchplatten für den Druckversuch. Die Messung der Ergebnisse ist weg- oder kraftgesteuert. Die Längen- und Breitenmessung ist über eine Kamera möglich.

Kerbschlaghammer

Der Kerbschlagbiegeversuch ist ein in der Werkstoffprüfung wichtiges Prüfverfahren, das von Augustin Georges Albert Charpy im Jahre 1905 eingeführt wurde.

Er ermöglicht eine schnelle und einfache Bestimmung der Kerbschlagzähigkeit metallischer Werkstoffe (DIN EN ISO 148-1) und Kunststoffe (DIN EN ISO 179-1). 

Die einseitig gekerbten Normproben werden in die Vorrichtung des Kerbschlaghammers gelegt und von einem Pendelhammer aus einer bestimmten Höhe durchgeschlagen. Es lässt sich die von der Normprobe aufgenommene Energie durch die nach dem Durchschlag folgende Auslenkung ableiten. Ein Teil der kinetischen Energie des Hammers wird im Augenblick des Durchschlags durch den Verfomungsprozess der Probe aufgenommen. Bei hoher aufgenommener Energie schwingt der Hammer entsprechend auch weniger weit wieder hoch. Bei einem Leerlauf schwingt der Hammer nahezu auf die Anfangshöhe. Dieser Prozess kann unter verschieden temperierten Zuständen stattfinden. Zum Abschluss wird die Kerbschlagarbeit in Joule ermittelt: W = m g (h´- h) Wobei m die Masse des Pendelhammers, g die Fallbeschleunigung und (h´- h) die Höhendifferenz des Pendelhammers ist.

Es gibt Proben die gar nicht brechen, sondern nur angerissen und zusätzlich plastisch verformt werden. Dies ist bei sehr duktilen Werkstoffen der Fall. Auf der anderen Seite gibt es spröde Proben, die sehr leicht (mit wenig Energieverbrach) durchschlagen werden und die Auslenkung des Hammers nach dem Durchschlagen hoch ist (geringe Höhendifferenz).

Das Werkstoffzentrum Heilbronn verfügt über einen Kerbschlaghammer aus dem Werke Wolpert Pendelschlagwerke. Das Modell PW30/15 nach DIN 51222 aus unserem Labor ist das gebräuchlichste unter allen Modellen und hat sich in der Praxis durchgesetzt. Es erlaubt Charpy-Versuche mit einer normgerechten Schlagarbeit von 30 kgm und 15 kgm. Dieses Modell hat vielerlei Vorteile. Ohne zeitraubendes und anstrengendes Wechseln des Hammers wird ein Zusatzgewicht eingeschraubt. Dadurch ändert sich die Schlagarbeit von den normalen 15 kgm auf 30 kgm und der Anhubwinkel bleibt unverändert.

Für den Charpy-Versuch werden üblicherweise DCM-Proben nach DIN 50115 verwendet.

Oben im Bild sind gebrochene Proben zu erkennen. Eine glatte Bruchfläche ist ein Hinweis auf sprödes Materialversagen.

Ein Duktilbruch ist durch eine plastische Verformung vor dem Materialversagen charakterisiert. Typische Bruchform ist hier der "Wabenbruch" mit einer rauen Bruchfläche.

Härte-/Mikrohärteprüfung

In vielen Anwendungsbereichen von metallischen Bauteilen sind eine hohe Festigkeit und Verschleißfestigkeit Voraussetzung. Dies bedeutet, dass das Bauteil eine ausreichend harte Oberfläche hat, damit bei Kontakt mit anderen Bauteilen möglichst keine Beschädigungen erfolgen.

Deshalb sind Kennwerte nötig, die die Härte eines Werkstoffs beurteilen.

Als Härte wird der Widerstand eines Werkstoffes gegen Eindringen eines Körpers bezeichnet. Somit beruhen alle Härteprüfverfahren auf demselben Prinzip.

Auf die zu prüfende Werkstoffoberfläche wird ein Prüfkörper gedrückt welcher eine verschiedene Form haben kann. Der Härtewert wird aus dem hinterlassenen Eindruck bestimmt.

Der Prüfkörper beim Härteprüfverfahren nach Brinell ist eine Kugel aus Hartmetall. Bei zunehmender Kraft wird diese innerhalb von zehn Sekunden in die Werkstoffoberfläche gedrückt, die geprüft werden soll. Danach wird die Kraft für 15 bis 20 Sekunden gehalten. Dadurch liefern die Messungen reproduzierbare und vergleichbare Messergebnisse.

Das Verhältnis der Prüfkraft F und der Eindruckoberfläche A, die vom Prüfkörper hinterlassen wird, liefert den Brinell-Härtewert HBW.

Beim Härteverfahren nach Brinell, sollte darauf geachtet werden, dass die Prüfkraft nicht zu groß und nicht zu klein ist. Ist die Prüfkraft zu groß, nähert sich der Eindruckdurchmesser dem Prüfkugeldurchmesser. Dies führt zu Messungenauigkeiten. Bei zu geringer Prüfkraft hinterlässt der Prüfkörper einen nicht verwertbaren zu kleinen Eindruck. Die Flächenpressung zwischen Prüfkörper und Werkstoff darf daher nicht zu groß und nicht zu klein sein.

Als Maß für das Verhältnis der Prüfkraft und der Prüfoberfläche, wird der Belastungsgrad B definiert. Um Härtewerte miteinander zu vergleichen, muss der Belastungsgrad B in allen Durchführungen denselben Wert haben.

Das Härteprüfverfahren nach Vickers ist ein universelles Härteverfahren. Es eignet sich für alle Härtebereiche. Das heißt, dass die Werkstoffe sehr weich oder auch sehr hart sein können. Darüber hinaus kann dieses Härteverfahren auch bei dünnen Blechen oder dünnen Randschichten angewendet werden.

Der Eindringkörper ist eine Diamantpyramide mit vier Seiten und einem Spitzwinkel von 136°.

Mit steigender Kraft wird der Eindringkörper in die Oberfläche des zu prüfenden Werkstoffs gedrückt. Beim Erreichen der gewünschten Prüfkraft wird diese etwa zehn bis fünfzehn Sekunden aufrechterhalten. So wie bei der Härteprüfung nach Brinell liefert das Verhältnis der Prüfkraft F und der Eindruckoberfläche A, die vom Prüfkörper hinterlassen wird, den Vickers-Härtewert. Die Eindruckoberfläche ist bei doppelter Kraft auch doppelt so groß. Daher ist der Härtewert als Verhältnis von Kraft und Eindruckoberfläche stets identisch.

Beim Vickers-Verfahren sind je nach Härte des Werkstoffes unterschiedliche Prüfkräfte in Form von Prüfbediengungen vorgeschrieben. Es gibt drei Prüfbereiche:

Makroprüfbereich:

  • Prüfbereich zwischen 49,03 N und 980,7 N
  • Härtewert ist unabhängig von Prüfkraft


Kleinlastbereich:

  • Prüfbereich zwischen 1,961 N und 29,42 N
  • Anwendbar bei dünnen Randschichten und Blechen sowie bei Fertigteilen


Mikrolastbereich:

  • Prüfbereich zwischen 0,098 N und 1,961 N


Aufgrund des pyramidenförmigen Eindringkörper wird auch bei geringen Prüfkräften ein Abdruck hinterlassen, der gut ausgemessen werden kann. Daher liegt auch bei geringen Eindrucktiefen eine hohe Genauigkeit der Vickersprüfung im Gegensatz zu der Brinellhärteprüfung vor.

Im Gegensatz den anderen Härteprüfverfahren dient bei der Härteprüfung nach Rockwell als Härtemaß nicht die im Werkstoff abgebildete Eindruckoberfläche sondern die Eindringtiefe.

Es gibt zwei Varianten von Prüfkörpern: entweder eine Hartmetallkugel oder einen abgerundeten Diamantkegel, welcher einen Spitzenwinkel von 120° hat. Der Spitzeradius der Kugel beträgt 0,2 mm. Über den Verfahrweg kann die Tiefe des Eindringens an einer Messuhr abgelesen werden. Dadurch weist die Rockwellhärteprüfung auch eine kurze Prüfzeit auf. Somit ist dieses Verfahren in der automatisierten Fertigung vorteilhaft.

Bei der Rockwellhärteprüfung gibt es drei Schritte:

  1. Der Prüfkörper wird mit einer Prüfvorkraft von 98 N auf die zu prüfende Oberfläche gelegt.
  2. Die Messuhr wird danach auf null gesetzt.
  3. Beginn der Härtebestimmung


Zusätzlich zur Prüfvorkraft wird bei der Härtebestimmung die eigentliche Prüfkraft, die aus Tabellenbüchern ermittelt wird, aufgebracht und der Prüfkörper dringt in die zu prüfende Oberfläche ein. Die Prüfkraft wird danach wieder aufgehoben. Dann wird die Eindringtiefe gemessen und so der Härtewert ermittelt.

Härteprüfungen können mit dem mobilen Härteprüfgerät MIC 20 der Firma Krautkramer durchgeführt werden.

Mobile Härteprüfungen können an bereits montierten Maschinen, Schweißnähten, Beschichtungen oder an gehärteten Oberflächen durchgeführt werden. Die Prüfung erfolgt innheralb weniger Sekunden durch einen kurzen festen Druckstoß per Prüfer auf den Werkstoff. Um den statischen Fehler der Messung zu reduzieren, werden mehrere Härtewerte gemessen und daraus der Mittelwert berechnet. Anhand des gemittelten Härtewerts, kann je nach Anwendung nach DIN 50 150 aus einer Umrechnungstabelle die Zugfestigkeit der Probe ermittelt werden.

Dem Werkstoffzentrum Heilbronn stehen neben dem mobile Krautkramer MIC 20 auch stationäre Härteprüfmaschinen zur Verfügung. Die UH 250 aus dem Hause Reichterter C. Stiefelmayer erlaubt alle gängigen Härteprüfverfahren. Es lassen sich diverse Prüfkörper einspannen. Die UH 250 besitzt eine Ausladung von 200 mm und einer Prüfhöhe von 300 mm. Die Prüfung erfolgt über eine konventionelle Steuerung.

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