Materialprüfung und
Materialanalyse
Die Materialprüfung und Materialanalyse dienen dazu die physikalischen Eigenschaften und chemischen Elemente von Materialien zu bestimmen.
Analysen
- Härteprüfung
- Mikrohärteprüfung
- Nanoindentierung
- Materialanalyse
- Oberflächenleitfähigkeit
- Oberflächenwiderstand
- Oberflächenadhäsion
- Reibwert
- Verschleiß
- Streckgrenze
- Elastizitätsmodul
- Zug-/Druckprüfung
- Schadensanalyse
Zur Analyse von Beschichtungen stehen im Steinbeis-Transferzentrum die nachstehenden Verfahren zur Verfügung.
HÄRTEPRÜFUNG
Bei der Härteprüfung wird ein Prüfkörper in den Werkstoff mit einer definierten Kraft eingedrückt und die Härte als Eindringwiderstand bestimmt. Als Messgröße für die Makrohärte dient verfahrensabhängig die Größe des bleibenden Abdruckes des Prüfkörpers (Vickers, Knoop, Brinell) oder die Eindringtiefe (Rockwell, Super Rockwell). Für Prüfungen an großen Bauteilen oder zur mobilen Härteprüfung dienen die Härteprüfung nach Leeb (Rückprallhärteprüfung) und das UCI-Härteprüfverfahren.
Die Härte von Kunststoffen und Hartgummi wird vorzugsweise durch eine Kugel als Eindringkörper nach ISO 2039-1 oder nach ISO 2039-2 ermittelt. Die Härte von Elastomeren und steifen Thermoplasten wird mit der Shore-Härteprüfung bestimmt.
MIKROHÄRTEPRÜFUNG
Die Mikrohärteprüfung bzw. Martens-Härteprüfung dient dazu die Härte und weitere interessante Materialeigenschaften eines Werkstoffes durch eine Eindringprüfung mit kleinen Prüfkräften zu bestimmen. Diese dient zur Bestimmung der Härte von kleinen Bauteilen, spröden Werkstoffen, Beschichtungen sowie der Einhärtetiefe am Querschliff von randschichtgehärteten Bauteilen. Bei dieser sogenannten instrumentierten Eindringprüfung wird die Härte und weitere Kennwerte wie z.B. der Elastizitätsmodul aus der Kraft-Weg-Kurve berechnet.
NANOINDENTIERUNG
Die Nanoindentierung ist eine Eindringprüfung mit sehr kleinen Prüfkräften. Diese dient dazu Materialkennwerte wie Härte, Elastizitätsmodul, Streckgrenze, Werkstoffdämpfung zu bestimmen. Mit der Nanoindentierung wird die Härten von Beschichtungen bestimmt sowie Härteverlaufsmessungen am polierten Querschliff durchgeführt. Bei dieser sogenannten instrumentierten Eindringprüfung wird der Kraft-Weg-Verlauf während der Prüfung aufgezeichnet und daraus die Materialkennwerte berechnet.
Mit der Nanoindentierung ist es u.a. möglich die Streckgrenze am realen Bauteile quasi zerstörungsfrei zu bestimmen, ohne dass dafür Zugproben angefertigt werden müssen. Dazu wird der ansteigenden Prüfkraft ein Sinus überlagert und so die Spannungs-Dehnungs-Kurve bestimmt, aus der dann die Streckgrenze ermittelt wird.
RASTER-ELEKTRONEN-MIKROSKOPIE (REM, EDX)
Mit einem Rasterelektronenmikroskop (REM) werden tiefenscharfe Bildaufnahmen der Objektoberfläche mit großer Vergrößerung angefertigt. Dabei rastert ein fein gebündelter Elektronenstrahl die Oberfläche präzise Zeile für Zeile ab. Die hierbei stattfindende Wechselwirkung mit dem Objekt wird zur Erzeugung von Aufnahmen der Oberflächentopographie (SE) sowie für Materialkontrastbilder (BSE) genutzt.
Mit der Energiedispersiven Röntgenspektroskopie (EDX) am REM werden Materialanalysen durchgeführt indem die chemischen Elemente bestimmt werden. Diese Methode beruht darauf, dass jedes chemische Element eine charakteristische Röntgenstrahlung aussendet, wenn es durch den Elektronenstrahl des REMs angeregt wird.
RASTERKRAFTMIKROSKOPIE (AFM)
Durch die Rasterkraftmikroskopie (AFM) wird die Topographie einer Bauteiloberfläche mit der höchsten Auflösung aller mikroskopischen Techniken vermessen. Hierzu tastet eine an einer Blattfeder (Cantilever) befindliche Messnadel die Oberfläche Zeile für Zeile ab.
Mit einem Rasterkraftmikroskop (AFM) können durch die sehr hohen Ortsauflösung selbst geringste lokale Unterschiede bzgl. der Oberflächenleitfähigkeit bzw. Oberflächenwiderstand bestimmt werden. Mit der leitfähigen Rasterkraftmikroskopie (C-AFM: Conductive AFM) wird die Topographie eines Materials und der elektrische Stromfluss am Kontaktpunkt der Spitze (Cantilever) gemessen.
Die Messung der Oberflächenadhäsion wird mit einem Rasterkraftmikroskop (AFM) durchgeführt indem sogenannte Kraft-Abstandskurven (Force-Distance-Curve) aufgenommen werden (Kraftspektroskopie). Damit können durch die sehr hohen Ortsauflösung lokale Unterschiede bestimmt werden. Durch die Kraftspektroskopie wird gleichzeitig der lokale Elastizitätsmodul des Materials sehr präzise bestimmt.
REIBWERTMESSUNG
Der Reibwert bzw. Reibungskoeffizient eines Tribosystems wird mit einem Tribometer bestimmt. Hierbei wird ein Prüfkörper geeigneter Geometrie mit einer definierten Normalkraft über einen Grundkörper bewegt und dabei die Reibkraft gemessen. Aus dem Verhältnis der Reibkraft zur Normalkraft wird der Reibwert µ berechnet.
VERSCHLEISSPRÜFUNG
Das Verschleißverhalten einer Beschichtung wird mit einem Tribometer ermittelt. Dabei handelt es sich um eine Modellprüfeinrichtung zur Untersuchung von Reibung und Verschleiß. Dazu wird ein Prüfkörper mit einer definierten Normalkraft translatorisch oder rotatorisch über einen Grundkörper bewegt. Nach dem Verschleißtest wird der Verschleiß von Prüfkörper und Grundkörper gravimetrisch oder durch optische 3D-Messungen bestimmt.
PHOTOTHERMIE
Die Photothermie dient dazu um Materialeigenschaften zerstörungsfrei zu bestimmen, wie z.B. Strukturdichte, Schichtdicke, Haftfestigkeit, Werkstoffermüdung. Bei der Photothermie werden die oberflächennahen Bereiche mit einem Diodenlaser erwärmt und anschließend die reflektierten thermischen Wellen ausgewertet.
ZUG-/DRUCKPRÜFUNG
Die Universalprüfmaschine der Serie Inspekt table der Fa. Hegewald und Peschke wird für Zug- und Druckprüfungen im mittleren Kraftmessbereich bis 100 kN eingesetzt. Damit können Werkstoffprüfungen im Bereich von -70°C bis +180°C durchgeführt werden.
SCHADENSANALYSE
Gegenstand der Analytik ist es die Primärschadensursache, die sogenannte Root Cause („Wurzel allen Übels“), herauszufinden. Denn nur über deren Kenntnis der Ausfallursache können Abhilfemaßnahmen definiert werden. Hierzu werden verschiedene Verfahren aus der Materialprüfung und Oberflächenanalyse eingesetzt.
Mit der Härteprüfung werden die Härte und weitere interessante Materialeigenschaften von Metallen, Nichtmetallen und Beschichtungen bestimmt. Dort wo kleine Prüfkräfte und geringe Eindringtiefen des Prüfkörpers erforderlich sind, wie z.B. bei Beschichtungen, erfolgt die Prüfung mit der Mikrohärteprüfung (Martens Härteprüfung) oder der Nanoindentierung. Die Streckgrenze bestimmen wir an realen Bauteilen durch die Nanoindentierung quasi zerstörungsfrei, so dass keine Zugproben erforderlich sind, die in der Regel andere Eigenschaften aufweisen.
Die Rasterelektronenmikroskopie (REM) dient zur hochauflösende Mikrostrukturanalyse an Oberflächen und Bruchflächen mit großer Vergrößerung. Dabei wird mit der energiedispersiven Röntgenspektroskopie (EDX) am REM auch die chemische Zusammensetzung eines Werkstoffs bestimmt.
Mit der Rasterkraftmikroskopie (AFM) erfolgen sehr präzise Oberflächenanalysen zur ortsaufgelösten Messung von Oberflächentopographie, Oberflächenleitfähigkeit, Oberflächenwiderstand, Oberflächenadhäsion, Elastizitätsmodul des Materials sowie von magnetischen und elektrostatisch geladenen Domänen.
Die Reibwertmessung und die Verschleißprüfung dienen dazu das Reibungs- und Verschleißverhalten von Bauteilen zu bestimmen. Dies kann nur anhand von Messungen und Versuchen erfolgen, weil Reibung und Verschleiß von vielen Faktoren abhängen und keine reinen Werkstoffeigenschaften sind. Wir bestimmen auch Reibwerte von Folien und Bahnen sowie der Abriebfestigkeit von Materialien.
Mit der Photothermie kann die Strukturdichte eines Bauteils zerstörungsfrei in der Randzone dreidimensional analysiert werden. Damit lassen sich zum Beispiel die Gefügedichte und Einschlüsse zerstörungsfrei untersuchen sowie die Eigenschaften von Beschichtungen.
Im Rahmen der Schadensanalyse kommen verschiedene Analysetechniken zum Einsatz, um die sogenannte Root Cause („Wurzel allen Übels“ oder Primärschadensursache) herauszufinden.