Materialprüfung und
Materialanalyse
Die Materialprüfung und Materialanalyse dienen dazu die Eigenschaften eines Materials zu bestimmen. Dazu bieten wir im Steinbeis-Transferzentrum die nachstehenden Verfahren als Labordienstleistungen an.
Leistungsübersicht
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 Mikrohärte und weitere interessante Materialeigenschaften eines Werkstoffes durch eine Eindringprüfung zu bestimmen. Diese dient zur Bestimmung der Härte von kleinen Bauteilen, spröden Werkstoffen, Beschichtungen und für die Bestimmung der Einhärtetiefeam Querschliff. Bei dieser sogenannten instrumentierten Eindringprüfung wird die Härte und weitere Kennwerte aus der Kraft-Weg-Kurve berechnet.
NANOINDENTIERUNG
Die Nanoindentierung ist eine instrumentierte Eindringprüfung mit sehr kleinen Prüfkräften. Sie dient dazu Materialkennwerte wie Härte, Elastizitätsmodul, Streckgrenze, Werkstoffdämpfung zu bestimmen. Typische Anwendungen hiervon sind Härteverlaufsmessungen an randschichtgehärteten Bauteilen und Härteprüfungen von Beschichtungen. Bei der instrumentierten Eindringprüfung wird der Kraft-Weg-Verlauf während der Prüfung aufgezeichnet und daraus die Materialkennwerte berechnet.
RASTERELEKTRONENMIKROSKOPIE (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.
RASTERKRAFTSPEKTROSKOPIE
Mit einem Rasterkraftmikroskop (AFM) können unter anderem sogenannte Kraft-Abstandskurve (Force-Distance-Curve) ermittelt werden. Dazu wird der Cantilever auf die Probe abgesenkt, mit definierter Kraft aufgedrückt und wieder entfernt. Aus dieser Kurve lassen sich Rückschlüsse auf die ortsaufgelösten Größen wie Adhäsionskraft an der Oberfläche und Elastizität des Materials gewinnen.
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.
STRECKGRENZE BESTIMMEN
Die Bestimmung der Streckgrenze von Beschichtungen kann durch eine Eindringprüfung in Form der Nanoindentierung quasi zerstörungsfrei am Originalbauteil erfolgen. Bei diesem Verfahren dringt ein Prüfkörper mit sehr kleinen Kräften in die Beschichtung ein, wobei die Kraft ansteigend mit einem überlagerten Sinus erhöht wird. Dadurch wird der Zusammenhang zwischen Spannung und Dehnung des Materials bestimmt und aus diesem die Streckgrenze berechnet.
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 wird die Härte und weitere interessante Materialeigenschaften von Metallen, Gläsern, Keramiken, Kunststoffen und Beschichtungen bestimmt. Dort wo kleine Prüfkräfte und geringe Eindringtiefen des Prüfkörpers erforderlich sind erfolgt die Materialprüfung mit der Mikrohärteprüfung (Martens Härteprüfung) oder der Nanoindentierung.
Mit der Rasterelektronenmikroskopie (REM) werden hochauflösende bildgebende Analysen an Oberflächen und Bruchflächen mit großer Vergrößerung durchgeführt. Dabei kann mit der energiedispersiven Röntgenspektroskopie (EDX) am REM auch die chemische Zusammensetzung des Werkstoffes für Materialanalysen bestimmt werden.
Mit der Rasterkraftspektroskopie werden die Adhäsion und die Elastizität des Materials an der Oberfläche ortsaufgelöst mit hoher Genauigkeit bestimmt. Diese Größen spielen eine Rolle zur Bewertung der Beschichtbarkeit, elektrischen Leitfähigkeit und Neigung zum adhäsiven Verschleiß.
Die Reibwertmessungen und die Verschleißprüfungen dienen dazu das Reibungs- und Verschleißverhalten von Reibpaarungen zu bestimmen. Durch unsere Möglichkeit Prüfkörper und -halter in der eigenen Werkstatt anzufertigen können wir nahezu alle Arten von Tribosystemen untersuchen. Dazu gehören auch Messungen des Reibwertes von Folien und Bahnen und die Bestimmung 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.
Die Streckgrenze kann durch eine Eindringprüfung (Nanoindentierung) quasi zerstörungsfrei am realen Bauteil bestimmt werden. Die tatsächliche Streckgrenze unterscheidet sich oftmals erheblich von den Angaben in Datenblättern.
Gegenstand der Schadensanalyse ist es die Primärschadensursache, die sogenannte Root Cause („Wurzel allen Übels“), herauszufinden.