TWI: Mechanische Prüfung

Mechanische Prüfverfahren bewerten, wie sich Werkstoffe und Werkstücke unter Einfluss von Kräften verhalten. Damit werden für die Konstruktion erforderliche Daten ermittelt und die Belastungs-Grenzwerte, die eine Struktur ohne zu versagen erdulden kann.

Mechanische Untersuchungen lassen sich grob in zwei Gruppen aufteilen: quantitativ und qualitativ. Quantitative Untersuchungen ermitteln numerische Werte, die in der Konstruktion verwendet werden können. Qualitative Untersuchungen werden zum Vergleich eingesetzt. 

In dieser kurzen Einführung in die mechanischen Prüfverfahren werden folgende Untersuchungen beschrieben:

• Zugversuch
• Biegeversuch
  
• Kerbschlagbiegeversuch
  
• CTOD-Test
  
• Übergangstemperaturuntersuchung
  
• Härteuntersuchung
  
• Bruchuntersuchung

Der Zugversuch ist sowohl qualitativ als auch quantitativ. Ein Prüfstück wird anhand der bestehenden Normen bearbeitet. Es wird mit einer einachsigen Zugkraft und einer vorgegebenen Belastungsgeschwindigkeit beaufschlagt. Die Kräfte und die Verlängerung des Werkstücks werden dabei kontinuierlich gemessen und aufgezeichnet. In einem Spannungs-Dehnungs-Diagramm können die Zugfestigkeit und die Streckgrenze ermittelt werden. Die Steigung der Geraden im elastischen Bereich ergibt den E-Modul.

Der Dreipunkt-Biegeversuch gibt ein ausschließlich qualitatives Ergebnis. Er kann zur Bewertung der Duktilität und der Materialeigenschaften, insbesondere von Schweißnähten, verwendet werden. Er wird oft zur Qualitätssicherung von im Stumpfstoß verschweißten Verbindungen eingesetzt. Sowohl das Prüfstück als auch die Prüfmaschine sind simpel. Meist wird ein Coupon bis zu einem vorgegebenen Winkel gebogen. Da die Außenseite stark verformt wird, werden Schweißnahtfehler oder Schweißnaht-Versprödungen schnell sichtbar. Die Prüfmaschinen variieren von einem typischen konkav-konvexen Former zu einem Wrap-Around-Bender, der an die Rohrbiegevorrichtungen von Sanitätsinstallateuren erinnert. Die Belastung, die auf das Prüfstück ausgewirkt wird, hängt vom Durchmesser der Umformgesenke ab, der in den Prüfnormen festgelegt ist und unter anderem von der Wandstärke des Prüfstücks abhängt. Der Biegewinkel kann 90°, 120° oder 180° betragen. Die Wurzel, die Nahtoberfläche oder ein Querschnitt können auf der Außenseite mit Zug belastet werden.

Die Kerbschlagbiegeprüfung ermittelt die Bruchzähigkeit eines Werkstoffs. Sie beschreibt vereinfacht gesagt, die Energie, die erforderlich ist damit ein Bauteil bricht und versagt. Meistens wir der von George Sharpy erfundene Kerbschlagbiegeprobe mit V-förmiger Nut eingesetzt. Ein Pendelhammer wird einsetzt, um das Prüfstück schlagartig zu verbiegen, bis es in den meisten Fällen bricht. Es wird nur wenig Material für jedes Prüfstück benötigt. Es ist 45 mm lang und hat eine Querschnittsfläche von 10 x 10 mm und eine 2 mm tiefe, oder bei dünnen Werkstoffen weniger tiefe Nut. Der Pendelhammer schlägt auf der Nut-abgewandten Seite auf das Prüfstück. Wenn es bricht, schwingt das Pendel noch etwas weiter, in Abhängigkeit davon, wieviel Energie benötigt wurde, um das Prüfstück zu zerbrechen. Die Kerbschlagbiegearbeit gibt eine Information über die Kerbschlagzähigkeit eines Werkstoffs. Wenn nur eine geringe Kerbschlagbiegearbeit benötigt wird, ist das Material spröde, andernfalls zäh. Erfahrungsgemäß ist eine gewisse Kerbschlagzähigkeit erforderlich, um Sprödbruch ## zu vermeiden. Dabei spielt die Temperatur eine wichtig Rolle, so dass die Prüfstücke entweder bei Raumtemperatur getestet werden oder vor dem Testen oft in flüssigem Stickstoff abgekühlt werden.

CTOD-Tests sind Crack Tip Opening Displacement Tests. Anders als bei den kleinen, kostengünstigen Kerbschlagbiegeproben sind hierfür oft Werkstücke mit der gesamten Wandstärke erforderlich. Sie enthalten eine Nut und einen durch eine Schwingbelastung erzeugten Anriss. Sie werden mit einer Belastungsgeschwindigkeit beaufschlagt, die von den vorgesehenen Betriebsbedingungen abhängt. Während des Prüfvorgangs wird die Breite der Nut kontinuierlich vermessen. Während des Tests öffnet sich die Nut zunehmend, bis ein kritischer Punkt erreicht wird, nach dem das Werkstück entweder teilweise oder ganz zerbricht. Die Ergebnisse können in „Fitness for Purpose“ Bewertungen eingesetzt werden.

Es gibt viele unterschiedliche Formen für die Prüfstücke, z.B. den SENB Test (Single Edge Notched Bend Test), eine Biegeprüfung mit einseitig gekerbten Prüfstücken. Auch der Compact Tension Test (CT Test) wird zur Ermittlung der fließbruchmechanischen Eigenschaften eingesetzt. Es hält einen absichtlich eingebrachten Ermüdungsriss. Ihre Herstellung benötigt zwar weniger Material, aber sie sind kostenaufwendiger in der Herstellung als CTOD-Prüfstücke.

Die Übergangstemperatur zwischen duktilem und spröden Versagen kann im Nil-Ductility Temperature Test ermittelt werden. Die Größe des Prüfmusters hängt von der Wandstärke ab. Auf der einen Seite wird ein spröder Riss erzeugt, indem eine Serie von Prüfstücken mit unterschiedlichen, immer tiefer werdenden Temperaturen in einer vorgeschriebenen Weise mit einem Schlag beaufschlagt wird, bis ein Sprödbruch eintritt. Die Temperatur, bei der der erste Sprödbruch auftritt ist die Übergangstemperatur.

Die Härteprüfung ermittelt den Widerstand gegenüber dem Eindringen eines härteren Körpers. Die Vickers-Härteprüfung verwendet einen pyramidenförmigen Diamant-Eindringkörper. Wenn der Eindringkörper mit einer in den entsprechenden Normen vorgegebenen Kraft für 30 sec auf das Prüfstück gepresst wird, kann die Härte des Prüfstücks anhand der Vermessung der Größe des verbliebenen Eindrucks ermittelt werden.

Die Rockwell-Härteprüfung nach Stanley Pickett Rockwell ist ähnlich und wird mit einem kegelförmigen Eindringkörper mit zwei unterschiedlichen Belastungshöhen durchgeführt. Es gibt unterschiedliche Varianten des Prüfverfahrens mit unterschiedlichen Härteskalen, wobei die bekanntesten HRB und HRC sind.
Spezielle Härteuntersuchungsverfahren stehen für schwer zugängliche Stellen oder die Untersuchung von in Betrieb befindlichen Strukturen sowie für sehr kleine Prüfstücke zur Verfügung. Dazu gehören z.B. der Knoop-Test, der Vickers-Test und die Mikrohärteuntersuchung.

Die Bruchuntersuchung wird insbesondere an Kehlnähten durchgeführt. Dafür wird eine einseitige Kehlnaht zwischen zwei T-förmig aufeinandergestellten er Platten hergestellt. Das Grundmaterial, der Zusatzwerkstoff und die Schweißparameter müssen denen des Anwendungsfalls entsprechen. Nach dem Schweißen wird die Schweißnaht mit einem Trennschleifer (einer Flex) eingekerbt. Das Werkstück wird dann mit einer Prüfmaschine, einer Presse oder mit dem Hammer von der der Naht gegenüberliegenden Seite umgebogen. Die Oberflächen der Bruchkanten können dann visuell auf Fehler wie Porosität, unzureichende Wurzel-Durchschweißung, unzureichendes Anschmelzen des Grundmaterials und Schlacke-Einschlüsse untersucht werden.

Wer mehr über diese Testverfahren oder weitere hier nicht beschriebene Testverfahren wissen will, sollte per Telefon oder E-Mail das TWI kontaktieren.