Werkstoffprüfung

Die Werkstoffprüfung umfasst verschiedene Prüfverfahren, mit denen das Verhalten und die Werkstoffkenngrößen normierter Werkstoffproben (Materialanalytik) oder fertiger Bauteile (Bauteilprüfung) unter mechanischen, thermischen oder chemischen Beanspruchungen ermittelt werden. Ein Werkstoff wird dabei z. B. hinsichtlich seiner Reinheit, Fehlerfreiheit oder Belastbarkeit überprüft.

Die gängigen Prüfverfahren werden aufgeteilt in zerstörende und zerstörungsfreie Werkstoffprüfungen; unter anderem ist die Zerstörungsfreie Prüfung im Bauwesen von besonderer Bedeutung.

Prüfungen zur Abschätzung der Lebensdauer von Produkten und Werkstoffen fallen in das Gebiet der Umweltsimulation.

Geschichte

Datei:Geschützprüfung.jpg

Geschützprüfung im 15. Jahrhundert

Die im Bild dargestellte Geschützprüfung zeigt eine sehr frühe und pragmatische Form der Werkstoffprüfung: Der Werkstoff wird am fertigen Produkt geprüft. Das zu prüfende Geschützrohr wurde über eine auf einem Pfahl liegende Kugel gestülpt – hatte das Rohr die Zündung der Pulverladung überstanden, konnte es weiter verwendet werden. In diesem Test musste eine Masse beschleunigt werden, die wesentlich größer war als die später zu beschleunigende Kugel.

Zerstörende Werkstoffprüfung

Bei der zerstörenden Werkstoffprüfung werden gewählte chemische und physikalische Werkstoffkenngröße geprüft und die Probe hierbei zerstört oder (oberflächlich) verändert; das zu prüfende Bauteil kann danach nicht mehr genutzt werden. Die wesentlichen Methoden dieser Prüfungsart sind:

Verfahren	Abkürzung	Dynamik	Prinzip	Interaktionsraum	Grundlage
Aufschweißbiegeversuch		dynamisch	mechanisch	volumen
Ausziehversuch		dynamisch	mechanisch	volumen
Berstversuch		dynamisch	mechanisch	volumen	zur Festigkeitsprüfung von Hochdruckbehältern, -kesseln und -rohrleitungen
Biegeversuch und Faltversuch von Blechen		dynamisch	mechanisch	volumen
Blaubruchversuch		dynamisch	thermisch, mechanisch, optisch	volumen	zur Prüfung von Stählen auf makroskopische, nichtmetallische Einschlüsse
Bulgeversuch		dynamisch	mechanisch	volumen
Dauerschwingversuch nach Wöhler		dynamisch	mechanisch	volumen
Kerbschlagbiegeversuch nach Charpy, Izod und Schlagzug		dynamisch	mechanisch	volumen
Scherversuch		quasistatisch, dynamisch	mechanisch	volumen
Split-Hopkinson Druckstab		dynamisch	mechanisch	volumen	zur Prüfung hoher Umformgeschwindigkeiten
Tiefungsversuch nach Erichsen		dynamisch	mechanisch	volumen
Torsionsversuch		dynamisch	mechanisch	volumen
Zeitstandversuch		quasistatisch, dynamisch	mechanisch, thermisch	volumen
Zugversuch		quasistatisch, dynamisch	mechanisch	volumen
Druckversuch		quasistatisch, dynamisch	mechanisch	volumen
Thermische Analyse		dynamisch	thermisch	volumen
Brennprobe		dynamisch	thermisch	volumen
Differenz-Thermoanalyse		dynamisch	thermisch	volumen
Stirnabschreckversuch		dynamisch	thermisch	volumen
Thermogravimetrische Analyse	TGA	dynamisch	thermisch	volumen
Chromatographie			chemisch	volumen
Gaschromatografie	DGA		chemisch	volumen
Titration			chemisch	volumen
Kesternichtest			chemisch	oberfläche
Salzsprühtest			chemisch	oberfläche	ASTM B117, DIN EN ISO 9227
Nachweisreaktionen der Strukturaufklärung			chemisch	volumen
Metallografie		statisch	optisch, chemisch	oberfläche
Massenspektrometrie	MS	dynamisch	physikalisch	oberfläche

Bedingt zerstörungsfreie Werkstoffprüfung

Damit ein Bauteil bedingt zerstörungsfrei geprüft werden kann, muss es eine bestimmte Mindestgröße und dafür vorgesehene Oberflächen aufweisen. Soll das Innere eines Bauteils geprüft werden, so muss der zu prüfende Bereich erst ausgefräst werden, was nur mit Zerstörung des Bauteils einhergehen kann.

Mechanisch:
- Bohrwiderstandsmessung
- Härteprüfung z. B. nach Vickers, Brinell, Rockwell, Shore, Knoop
Physikalisch
- Neutronenstreuung

Zerstörungsfreie Werkstoffprüfung

Datei:GemX-200 (mb).png

Tragbarer Röntgen-Apparat für Werkstoffprüfung.

Bei der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung, kurz ZfP (EN 1330, engl. {{#invoke:Vorlage:lang|flat}}/{{#invoke:Vorlage:lang|flat}}, kurz NDT bzw. NDI) wird die Qualität eines Werkstücks getestet, ohne das Material selbst zu beschädigen. Hierzu werden verschiedene physikalische Effekte ausgenutzt, die man in zwei Gruppen einteilt: Defektoskopie und Qualimetrie. Die dynamischen Prüfverfahren basieren auf der Reflexion von elastischen oder elektromagnetischen Wellen an einer Grenzfläche, die über den akustischen, bzw. den dielektrischen Impedanzkontrast definiert werden.

Unter den ersten zerstörungsfreien Werkstoffprüfungen waren wohl die Bestimmung der Dichte durch die Verdrängungsmethode nach Archimedes und die Sichtprüfung, d. h. das Betrachten eines Bauteiles auf äußerlich erkennbare Mängel.<ref>Blumenauer, Werkstoffprüfung, 6. Auflage, S. 306</ref> Am häufigsten werden aber darunter Prüfungen auf Bauteilfehler verstanden.

Die zerstörungsfreien Prüfverfahren lassen sich nach verschiedenen Gesichtspunkten sortieren. Die folgende Tabelle gibt einen Überblick über die gebräuchlichsten Verfahren im Maschinenbau, in der Luft- und Raumfahrttechnik und im Bauwesen. Es sind die gebräuchlichen Abkürzungen, bzw. die Abkürzungen nach ISO 9712<ref name="ISO 9712">ISO 9712:2012. Zerstörungsfreie Prüfung – Qualifizierung und Zertifizierung von Personal der zerstörungsfreien Prüfung.</ref> und EN 4179<ref name="EN 4179">EN 4179:2009. Luft- und Raumfahrt – Qualifikation und Zulassung des Personals für zerstörungsfreie Prüfungen.</ref> angegeben. Die Dynamik gibt den Charakter der Messung an, wobei „statisch“ i. d. R. die Messung eines statischen elektrischen oder magnetischen Felds bedeutet, „dynamisch“ die Messung einer Wellenamplitude. Unter Prinzip ist das physikalische Messprinzip zu verstehen (mechanisch, elektrisch, magnetisch, thermisch, optisch, chemisch). Der Interaktionsraum mit dem Untersuchungsobjekt und die allgemeine normative Grundlage sind in den entsprechenden Spalten angegeben.

Verfahren	Abkürzung	Dynamik	Prinzip	Interaktionsraum	Grundlage
Akustische Resonanzanalyse	ART	dynamisch	mechanisch	Volumen	DGZfP Richtlinie US06
Bewehrungsortung (induktiv)		statisch	magnetisch	Volumen	DGZfP Merkblatt B02
Bewehrungsortung (kapazitiv)		statisch	elektrisch	Volumen	DGZfP Merkblatt B02
Bodenradar	GPR	dynamisch	elektromagnetisch	Volumen	DGZfP Merkblatt B10
Dehnungsmessstreifen-Prüfung	ST<ref name="ISO 9712"/>	dynamisch	mechanisch	Oberfläche
Durchstrahlungsprüfung	RT<ref name="ISO 9712"/>	dynamisch	elektromagnetisch	Volumen	EN 444<ref name="EN 444">EN 444:1994. Zerstörungsfreie Prüfung – Durchstrahlungsverfahren – Computertomografie</ref>, EN 13068<ref name="EN 13068">EN 13068-1:1999. Zerstörungsfreie Prüfung – Radioskopische Prüfung.</ref>, EN 16016<ref name="EN 16016">EN 16016-1:2011. Zerstörungsfreie Prüfung; Grundlagen für die Durchstrahlungsprüfung von metallischen Werkstoffen mit Röntgen- und Gammastrahlen</ref>
Feuchtemessung (kapazitiv)		statisch	elektrisch	Oberfläche	EN 13183-3<ref name="EN 13183-3">EN 13183-3:2005. Feuchtegehalt eines Stückes Schnittholz – Teil 3: Schätzung durch kapazitives Messverfahren.</ref>
Feuchtemessung (resistiv)		statisch	elektrisch	Oberfläche	EN 13183-2<ref name="EN 13183-2">EN 13183-2:2002. Feuchtegehalt eines Stückes Schnittholz – Teil 2: Schätzung durch elektrisches Widerstands-Messverfahren.</ref>
Impakt-Echo Verfahren	IE	dynamisch	mechanisch	Volumen	DGZfP Merkblatt B11
Potentialfeldmessung		statisch	elektrochemisch	Volumen	DGZfP Merkblatt B03
Rückprallhammer		dynamisch	mechanisch	Oberfläche	EN 12504-2<ref name="EN 12504-2">EN 12504-2:2001. Prüfung von Beton in Bauwerken - Teil 2: Zerstörungsfreie Prüfung; Bestimmung der Rückprallzahl.</ref>
Dichtheitsprüfung	LT<ref name="ISO 9712"/>		chemisch	System	EN 1779<ref name="EN 1779">EN 1779:1999. Zerstörungsfreie Prüfung – Dichtheitsprüfung – Kriterien zur Auswahl von Prüfmethoden und -verfahren.</ref>, EN 13184<ref name="EN 13184">EN 13184:2001. Zerstörungsfreie Prüfung – Dichtheitsprüfung – Druckänderungsverfahren.</ref>, EN 13185<ref name="EN 13185">EN 13185:2001. Zerstörungsfreie Prüfung – Dichtheitsprüfung – Prüfgasverfahren.</ref>, EN 1593<ref name="EN 1593">EN 1593:1999. Zerstörungsfreie Prüfung – Dichtheitsprüfung – Blasenprüfverfahren.</ref>
Eindringprüfung	PT<ref name="ISO 9712"/>		mechanisch	Oberfläche	ISO 3452<ref name="EN 571-1">DIN EN ISO 3452-1:2014-09. Zerstörungsfreie Prüfung - Eindringprüfung - Teil 1: Allgemeine Grundlagen.</ref>
Zeitbereichsreflektometrie	TDR	dynamisch	elektromagnetisch	Volumen	DIN 19745<ref name="DIN 19745">DIN 19745:2006. Bodenbeschaffenheit – Grundlagen für die Bestimmung des Wassergehalts durch Time-Domain-Reflektometry (TDR) und Time-Domain-Transmissometry (TDT).</ref>
Infrarotthermografie	TT<ref name="EN 4179"/>	dynamisch	thermisch	Oberfläche	DIN 54190<ref name="DIN 54190">DIN 54190. Zerstörungsfreie Prüfung – Thermografische Prüfung.</ref>, DIN 54192<ref name="DIN 54192">DIN 54192:2012. Zerstörungsfreie Prüfung – Aktive Thermografie.</ref>, EN 13187<ref name="EN 13187">EN 13187:1998. Wärmetechnisches Verhalten von Gebäuden – Nachweis von Wärmebrücken in Gebäudehüllen – Infrarot-Verfahren.</ref>
Leitfähigkeitsprüfung			elektrisch, thermisch	Volumen	materialabhängig
magnetinduktive Methode		statisch	magnetisch	Oberfläche	ISO 2178<ref name="ISO 2178">ISO 2178:1995. Nichtmagnetische Überzüge auf magnetischen Grundmetallen – Messen der Schichtdicke – Magnetverfahren.</ref>
Magnetpulverprüfung	MT<ref name="ISO 9712"/>	statisch	magnetisch	Oberfläche	ISO 9934<ref name="ISO 9934">ISO 9934. Zerstörungsfreie Prüfung – Magnetpulverprüfung.</ref>
Mikrowellenprüfung		dynamisch	elektromagnetisch	Volumen
Prozesskompensierte Resonanzprüfung	PCRT				ASTM E2534-10
Reflexionsspektroskopie		statisch	elektromagnetisch	Oberfläche
Risslumineszenzverfahren		dynamisch	mechanisch	Oberfläche
Röntgenfluoreszenzanalyse		statisch	elektromagnetisch	Oberfläche
Schallemissionsanalyse	AT<ref name="ISO 9712"/>	dynamisch	mechanisch	Volumen	EN 13554<ref name="EN 13554">EN 13554:2011. Zerstörungsfreie Prüfung – Schallemissionsprüfung – Allgemeine Grundsätze.</ref>
Shearografie	ST<ref name="EN 4179"/>	dynamisch	optisch	Oberfläche
Visuelle Inspektion	VT<ref name="ISO 9712"/>		optisch	Oberfläche	EN 13018<ref name="EN 13018">EN 13018:2001. Zerstörungsfreie Prüfung – Sichtprüfung – Allgemeine Grundlagen.</ref>, DGZfP Merkblatt B06
Streufeldmessung	FT<ref name="EN 10256"/>	statisch	magnetisch	Volumen	EN 10256<ref name="EN 10256">EN 10256:2000. Zerstörungsfreie Prüfung von Stahlrohren – Qualifizierung und Kompetenz von Personal der Stufen 1 und 2 für die zerstörungsfreie Prüfung.</ref>
Ultraschallprüfung	UT<ref name="ISO 9712"/>	dynamisch	mechanisch	Volumen	EN 583<ref name="EN 583">EN 583. Zerstörungsfreie Prüfung – Ultraschallprüfung.</ref>, DGZfP Merkblatt B04
Vibrationsprüfung/Schwingungsanalyse	VA	dynamisch	mechanisch	System	ISO 13373<ref name="EN 13373">EN 13373. Zustandsüberwachung und -diagnostik von Maschinen – Schwingungs-Zustandsüberwachung.</ref>, DIN 45669<ref name="DIN 45669">DIN 45669. Messung von Schwingungsimmissionen.</ref>
Wirbelstromprüfung	ET<ref name="ISO 9712"/>	statisch	elektrisch	Oberfläche	ISO 15549<ref name="ISO 15549">ISO 15549:2008. Zerstörungsfreie Prüfung – Wirbelstromprüfung – Allgemeine Grundlagen.</ref>

Weitere bekannte Verfahren können als Untergruppen der oben genannten Verfahren klassifiziert werden.

Hauptverfahren	Unterverfahren
Durchstrahlungsprüfung	Computertomographie, Röntgendurchstrahlung, Gammadurchstrahlung
Sichtkontrolle	Endoskopie, Mikroskopie, Metallografie

Prüforganisationen

Werkstoffprüfungen werden von unterschiedlichen Einrichtungen vorgenommen. Dazu zählen in Deutschland auf Bundesebene die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung und auf Landesebene die einzelnen Materialprüfanstalten. Zudem bieten verschiedene Prüforganisationen und wissenschaftliche Institute, wie das Fraunhofer-Institut für Zerstörungsfreie Prüfverfahren oder das Österreichische Research Center for Non Destructive Testing, Werkstoffprüfungen als Dienstleistung an. Darüber hinaus gibt es mittelständische privatwirtschaftliche Prüforganisationen.

Die international akkreditierten Firmen sind in Deutschland organisiert in der Fachgesellschaft der akkreditierten Prüfgesellschaften, kurz F-GZP. In Österreich bildet die Österreichische Gesellschaft für zerstörungsfreie Prüfung den Dachverband der zerstörungsfreien Prüfung.

Literatur

Gernot Krankenhagen / Horst Laube: Werkstoffprüfung, Von Explosionen, Brüchen und Prüfungen. rororo, 1983, ISBN 3-499-17710-2.
Frank Schmidt-Döhl: Materialprüfung im Bauwesen. Fraunhofer irb-Verlag, Stuttgart 2013, ISBN 978-3-8167-8747-1.
Eckard Macherauch, Hans-Werner Zoch: Praktikum in Werkstoffkunde. 91 ausführliche Versuche. 2011, ISBN 978-3-8348-0343-6.
Wolfgang W. Seidel, Frank Hahn: Werkstofftechnik. Werkstoffe – Eigenschaften – Prüfung – Anwendung. 11. Auflage. Carl Hanser Verlag, München 2018, ISBN 978-3-446-45415-6. [1]
Wolfgang Grellmann, Sabine Seidler: Kunststoffprüfung. 3. Auflage. Carl Hanser Verlag, München 2015, ISBN 978-3-446-44350-1. [2]

Weblinks

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