Statische mechanische Prüfungen und Härteprüfungen

Ein Gusseisenteil wird immer nach den vom Kunden vorgegebenen Planungsangaben hergestellt. Fast immer sind diese Anforderungen mit dem mechanischen Verhalten des Materials verbunden, das daher durch sogenannte mechanische Tests genau ermittelt und beschrieben werden muss. Die am weitesten verbreiteten Tests sind jene, die eine Beurteilung des statischen mechanischen Verhaltens und der Härte ermöglichen.

Unter statischen mechanischen Prüfungen versteht man im Wesentlichen Zugversuche, bei denen unter einachsigem Spannungszustand die Streck- (Rp0,2) und Bruchspannung (Rm) sowie die Bruchdehnung (A5 %) bestimmt werden. Mit den Härteprüfungen wird hingegen die Festigkeit des Materials gegen das Eindringen einer Spitze mit unterschiedlicher Geometrie ermittelt, je nach Art des ausgeführten Tests. Härteprüfungen sind besonders nützlich, da sie mit relativ einfachen Geräten schnell erste, aber ausreichend zuverlässige Informationen über das mechanische Verhalten von Gusseisen liefern.

Zugversuch
Härteprüfungen
Brinell-Härteprüfung
Vickers-Härteprüfung

Kerbschlagbiegeversuche (Schlagfestigkeit)

Während seiner Lebensdauer kann ein mechanisches Bauteil aufgrund der im Projekt vorgesehenen Betriebsbedingungen oder aufgrund von Zufallsereignissen Stößen und Erschütterungen ausgesetzt sein, denen es selbstverständlich ausreichend Widerstand leisten muss. Natürlich ist es notwendig, die Schlagfestigkeitseigenschaften einer Metalllegierung im Voraus genau zu kennen, um durch Stöße verursachte Ausfälle oder Funktionsstörungen zu verhindern.

Der Kerbschlagbiegeversuch dient genau dazu, die Schlagfestigkeit einer Metalllegierung zu bestimmen. Ein Prüfstück (Länge 55 mm, Querschnitt 10 mm x 10 mm), das gegebenenfalls eingekerbt ist, wird durch ein Pendel mit einem „Messer“ einer schlagartigen Beanspruchung ausgesetzt. Die gesamte beim Aufprall absorbierte Energie stellt die Kerbschlagzähigkeit dar. Bei einem instrumentierten Kerbschlagbiegeversuch wird auch die momentane Energieabsorptionskurve bestimmt, mit der Möglichkeit, zwischen der Energieaufnahme bei der Risseinleitung und bei der Rissausbreitung zu unterscheiden.

Charpy-Schlagprüfung

Dynamische mechanische Prüfungen

Nahezu alle mechanischen Komponenten sind während ihrer Lebensdauer mechanischen Belastungen zyklischer Natur ausgesetzt (z. B. Zug-Druck oder „oszillierender“ Zug zwischen verschiedenen Spannungswerten). Mit der Zeit können diese Belastungen zu einer Verschlechterung der mechanischen Leistungsfähigkeit des Materials und zu einem vorzeitigen Ausfall führen. Daher ist es wichtig, das dynamische Verhalten von Metalllegierungen zu kennen, das mithilfe von zyklischen Belastungstests, üblicherweise als Ermüdungstests bezeichnet, untersucht werden kann. Durch die Wirkung von Zug- bzw. Zug-Druck-Wechselbeanspruchungen kann die Rissentstehung und -ausbreitung auch nach sehr hohen Zyklenzahlen bis hin zum Versagen des Materials im Labor untersucht werden. Mit der Änderung der Beanspruchungsbedingungen (axial, durch Biegung, mehrachsig, Zyklenverhältnisse) werden die sogenannten Wöhler-Kurven zur Bestimmung der Ermüdungsgrenze des Materials, d. h. des Niveaus der Spannungsamplitude, unter der theoretisch das Material eine Festigkeit gegen eine unendliche Anzahl von Zyklen aufweist.

Ermüdungsversuch

Tribologische Prüfungen

Eine weitere wichtige Belastungsart, der mechanische Komponenten ausgesetzt sind, ist der Kontakt (und damit Gleit- oder Abriebbedingungen) mit anderen Materialien. Abhängig von den gegenseitigen Eigenschaften der Komponente und des Antagonisten können Verschleißphänomene (bei dem einen oder anderen oder bei beiden) mit fortschreitender Schädigung (bis zu kritischen Werten) der Oberfläche der Materialien induziert werden. Kenntnisse über das Verhalten und die Verschleißfestigkeit eines Materials sind daher besonders in der Planungsphase hilfreich.

Um die Verschleißfestigkeit durch Gleiten oder Abrieb des Materials zu bewerten, ist die am weitesten verbreitete Konfiguration die sogenannte „Pin-on-Disk“: ein Stift (typischerweise aus Werkzeugstahl oder Keramikmaterial), der einem genau definierten Druck ausgesetzt wird, gleitet (in trockenem oder geschmiertem Zustand) auf einer Scheibe, die aus der zu prüfenden Legierung besteht. Es werden der Reibungskoeffizient während des Tests und die Abnutzung der Scheibe, abhängig von der Zeit, bestimmt. Die Prüfung hat vor allem einen vergleichenden Charakter, um das Verhalten verschiedener Kategorien von Materialien zu bewerten.

Pin-on-Disk-Test
Pin-on-Disk-Test

Projektpartner der Zanardi Academy