Materialprüfung und
Materialanalyse
Wir analysieren die Eigenschaften von Materialien im Steinbeis-Transferzentrum in Karlsruhe.
Analysen
HÄRTEPRÜFUNG
Die Härteprüfung ist eines der am häufigsten verwendeten Prüfverfahren der Materialprüfung. Bei der Härteprüfung wird die Härte als Eindringwiderstand gegen einen Prüfkörper 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 Mikrohärteprüfung bzw. Martens-Härteprüfung dient dazu die Härte und weitere Materialeigenschaften (z.B. Elastizitätsmodul) durch eine Eindringprüfung mit kleinen Prüfkräften zu bestimmen. Damit erfolgen Prüfungen an kleinen Bauteilen, spröden Werkstoffen und von Beschichtungen. Des Weiteren wird damit die Einhärtetiefe von randschichtgehärteten Bauteilen bestimmt, indem am Querschliff eine Reihe von Härteeindrücken von der Oberfläche in Richtung Bauteilmitte gesetzt werden.
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.
NANOINDENTIERUNG
Die Nanoindentierung ist eine Eindringprüfung mit sehr kleinen Prüfkräften. Diese dient dazu Materialkennwerte wie Härte, Elastizitätsmodul, Streckgrenze, Werkstoffdämpfung quasi zerstörungsfrei am realen Bauteil zu bestimmen. Beispielsweise wird mit der Nanoindentierung die Härte von dünnen Beschichtungen bestimmt, da bei diesen der Prüfkörper nur sehr gering eindringen darf. Kleine bis sehr kleine Prüfkräfte werden auch für Härteverlaufsmessungen und bei der Bestimmung der Härtewerte von Gefügebestandteilen benötigt.
MATERIALANALYSE (EDX)
Die Materialanalysen zur Bestimmung der chemischen Elemente und deren Verteilungen erfolgen mit der Energiedispersiven Röntgenspektroskopie (EDX) am REM. Diese Methode beruht darauf, dass jedes chemische Element eine charakteristische Röntgenstrahlung aussendet, wenn es durch den Elektronenstrahl des REMs angeregt wird.
REIBUNGSKOEFFIZIENT
Der Reibungskoeffizient bzw. Reibwert 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 Reibungskoeffizient bzw. der Reibwert berechnet.
VERSCHLEISSFESTIGKEIT
Die Verschleißfestigkeit von Materialien 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.
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.
RASTERKRAFTMIKROSKOPIE (AFM)
Mit der 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.
Die ortsaufgelöste Messung der Oberflächenadhäsion eines Materials 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.
Mit einem Rasterkraftmikroskop (AFM) können geringste lokale Unterschiede bzgl. der elektrischen Leitfähigkeit bzw. des elektrischen Widerstandes eines Materials an der Oberfläche 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.
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.
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 (z.B. E-Modul, Streckgrenze) von Metallen, Nichtmetallen und Beschichtungen bestimmt. Durch kleine Prüfkräfte in Form der Mikrohärteprüfung (Martens Härteprüfung) werden Härteprüfungen von Beschichtungen und Härteverlaufsmessungen zur Bestimmung der Einhärtetiefe von randschichtgehärteten Bauteilen durchgeführt. Eine spezielle Form der Eindringprüfung ist die Nanoindentierung wo kleine Prüfkräfte es ermöglichen Härten von Beschichtungen und Gefügebestandteilen präzise zu bestimmen.
Mit dem am Rasterelektronenmikroskop (REM) verbauten Röntgenstrahldetektor werden Materialanalysen mit der energiedispersiven Röntgenspektroskopie (EDX) durchgeführt.
Der Reibungskoeffizient und die Verschleißfestigkeit eines Materials werden mit einem Tribometer bestimmt. Da diese keine reinen Werkstoffeigenschaften sind und von vielen Einflussfaktoren abhängen, können diese auch nur durch Messungen ermittelt werden.
Die Zug- und Druckprüfung dient dazu Werkstoffkennwerte zu bestimmen.
Mit der Rasterkraftmikroskopie (AFM) erfolgen sehr präzise Oberflächenanalysen zur ortsaufgelösten Messung von Topographie, elektrischer Leitfähigkeit bzw. Widerstand, Adhäsion, Elastizitätsmodul sowie der laterale Verteilung von magnetischen und elektrostatischen Feldern.
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.
Für eine Schadensanalyse kommen verschiedene Analysetechniken zum Einsatz, um die sogenannte Root Cause („Wurzel allen Übels“ oder Primärschadensursache) herauszufinden. Neben der Lichtmikroskopie ist hier die Rasterelektronenmikroskopie incl. der Röngtenspektroskopie ein wichtige Analysetechnik.