Beim Härteprüfverfahren nach Rockwell dient als Härtemaß nicht die im Werkstoff abgebildete Eindruckoberfläche sondern die Eindringtiefe. Als Prüfkörper dient dabei entweder eine Hartmetallkugel oder ein abgerundeter Diamantkegel mit einem Spitzenwinkel von 120° und einem Spitzenradius von 0,2 mm. Die Eindrucktiefe kann praktischerweise direkt über den Verfahrweg der Prüfmaschine an einer Messuhr ausgelesen werden.

Bei der Härteprüfung nach Rockwell wird ein Prüfkörper in den Werkstoff gedrückt. Die hinterlassene Eindringtiefe dient als Maß für den Härtewert!

Der Messvorgang beim Rockwellverfahren vollzieht sich in insgesamt drei Schritten. Zunächst wird der Prüfkörper mit einer sogenannten Prüfvorkraft F₀ von 98 N auf die zu prüfende Oberfläche aufgelegt. Auf diese Weise können die Einflüsse von möglichen Setzvorgängen im Probenmaterial und ein eventuelles Spiel im Messgerät ausgeglichen werden. Die Messuhr wird nach Aufbringen dieser Prüfvorkraft und nach kurzer Einwirkzeit auf null gestellt (Bezugsebene). Anschließend kann die eigentliche Härtewertbestimmung erfolgen.

Dabei wird zusätzlich zur Prüfvorkraft die eigentliche Prüfkraft F₁ aufgebracht und der Prüfkörper dringt mit der Gesamtkraft F=F₀+F₁ in den Werkstoff ein. Die einzustellende Prüfkraft wird in Abhängigkeit des Prüfkörpers und des zu prüfenden Werkstoffes aus Tabellenbüchen entnommen.

Nachdem der Prüfkörper bei gegebener Gesamtkraft maximal in den Werkstoff eingedrungen ist, wird die Prüfkraft F₁ wieder weggenommen. Der Werkstoff wird schließlich nur noch durch die Prüfvorkraft F₀ beansprucht und der Eindringkörper durch das elastische Werkstoffverhalten der Probe wieder leicht angehoben. Der Kontakt zur Probe bleibt jedoch weiterhin bestehen. Die unter Aufrechterhaltung der Prüfvorkraft F₀ verbleibende Eindringtiefe h (in mm) wird schließlich gemessen und für die Ermittlung des Härtewertes zugrunde gelegt.

Je nach Prüfkörper (Diamantkegel oder Hartmetallkugel) kann der einheitenlose Härtewert HR mithilfe folgender Formeln bestimmt werden:

\begin{align}
\label{rockwellhaertewert_1}
&\boxed{HRC, HRA =100-\frac{h}{0,002}} ~~~~~\text{Rockwellhärte für Diamantkegel} \\[5px]
\label{rockwellhaertewert_2}
&\boxed{HRB, HRF =130-\frac{h}{0,002}} ~~~~~\text{Rockwellhärte für Hartmetallkugel} \\[5px]\end{align}

Prüfung mit Diamantkegeln

Der Härtewert wird bei Diamantkegeln als Prüfkörper aus einer Referenztiefe von 0,2 mm gebildet. Je nachdem wie weit der eingedrungene Prüfkörper diese Referenztiefe erreicht, wird dem Werkstoff eine entsprechende Härte zugeordnet. Das vollständige Eindringen des Prüfkörpers auf die Referenztiefe bedeutet offensichtlich ein sehr weicher Werkstoff; diesem wird der Härtewert 0 zugeordnet. Dringt der Diamantkegel hingegen nicht bleibend in den Werkstoff ein, so liegt ein extrem harter Werkstoff vor, welchem der volle Härtewert 100 zugeschrieben wird. Die Skala folgt einer gleichmäßigen Unterteilung um jeweils 0,002 mm (2 µm), sodass das Erreichen der halben Referenztiefe auch der Hälfte des maximalen Härtewertes entspricht (Rockwellhärtewert 50). Insgesamt unterteilt sich die Rockwellskala bei der Verwendung von Diamantkegeln somit in 100 Härtegrade.

Die Verfahrensvariante mit Diamantkegel eignet sich im Allgemeinen besonders für sehr harte Werkstoffe wie gehärtete oder vergütete Stähle. Abgesehen von speziellen Verfahren beträgt die Prüfvorkraft dabei 98 N (10 kp). Die eigentliche Prüfkraft kann je nach Anwendungsfall variieren.

In der Verfahrensvariante C wird die Probe mit einer Prüfkraft von 1373 N (140 kp) beansprucht. Gerade bei der Prüfung von dünnen Blechen besteht jedoch die Gefahr, dass sich der Werkstoff durch die hohe Prüfkraft lediglich auf der gegenüberliegenden Seite herauswölbt und damit das Messergebnis verfälscht.  Deshalb wurde bei der Diamantkegelprüfung die Verfahrensvariante A eingeführt, die mit einer verringerten Prüfkraft von 490 N (50 kp) arbeitet. Darüber hinaus existiert auch noch die weniger verbreitete Variante D, bei welcher der Härtewert anhand einer Prüfkraft von 883 N (90 kp) ermittelt wird. Für dessen Bestimmung wird ebenfalls Gleichung (\ref{rockwellhaertewert_1}) verwendet.

Beachte, dass die Rockwellhärten in der Praxis nicht nach Gleichung (\ref{rockwellhaertewert_1}) und (\ref{rockwellhaertewert_2}) ermittelt werden, sondern direkt an einer kalibrierten Skala abgelesen.

Prüfung mit Hartmetallkugeln

Bei der Prüfung von relativ weichen Werkstoffen würde der Diamantkegel jedoch viel zu stark in das Material eindringen und außerhalb der Referenztiefe von 0,2 mm liegen. Deshalb wird bei weichen Oberflächen mit Hartmetallkugeln geprüft und zudem die Referenztiefe auf 0,26 mm erweitert. Die Unterteilung der Härtegrade in Schritten von 0,002 mm wird jedoch beibehalten. Somit ergeben sich bei der Verwendung von Hartmetallkugeln Härtewerte im theoretischen Bereich von 0 (volle Eindringtiefe auf 0,26 mm) bis 130 (keine Eindringtiefe).

Bei der Verwendung einer Hartmetallkugel zur Härteprüfung werden hauptsächlich die Verfahrensvarianten B und F unterschieden. Sie eigenen sich im Gegensatz Diamantkegelprüfung für weichere Metalle wie Baustähle oder Messing. Die Kugel weist dabei einen Durchmesser von 1,5875 mm (=1/16 Zoll) auf. In allen Verfahrensvarianten beträgt die Prüfvorkraft 98 N (10 kp). Die Verfahren unterscheiden sich wieder lediglich in der eigentliche Prüfkraft. In der Variante B beträgt die Prüfkraft 883 N (90 kp) und in der Variante F liegt die Prüfkraft bei 490 N (50 kp). Durch ihre verringerte Prüfkraft eignet sich die Verfahrensvariante F vor allem für sehr weiche Werkstoffe wie Kupfer oder dünne Bleche.

Vergleichbarkeit der Härtewerte

Härtewerte die mit unterschiedlichen Verfahrensvarianten gewonnen wurden sind grundsätzlich nicht miteinander vergleichbar. Zudem muss der mit einer bestimmten Verfahrensvariante gewonnene Härtewert innerhalb eines bestimmten Bereichs liegen. Bei Werten außerhalb sollte das Verfahren geändert werden, da der Prüfkörper entweder zu stark oder zu schwach in den Werkstoff eingedrungen ist.

• HRC: 20 bis 70
• HRA: 20 bis 88
• HRB: 20 bis 100
• HRF: 60 bis 100

Vorteile und Nachteile

Der Vorteil der Rockwellhärteprüfung besteht in der relativ kurzen Prüfzeit und in der guten Automatisierbarkeit, da die Messwerte ohne optisches Ausmessen unter einem Mikroskop direkt anhand der Eindrucktiefe ermittelt werden. Deshalb eignet sich dieses Verfahren besonders in der automatisieren Fertigung.

Nachteilig wirkt sich beim Rockwellverfahren der relativ geringe Tiefenbereich aus. Bereits kleine Verunreinigungen im Werkstoff können so zu deutlichen Abweichungen in der Eindringtiefe und damit im Härtewert führen. Zudem ist vor allem bei Werkstoffen mit großen Härtewerten eine Differenzierung über die geringen Tiefenunterschiede nur schwer möglich.

Normgerechte Angabe des Härtewerts

Die normgerechte Angabe der Rockwellhärte besteht aus der Angabe des Härtewertes und dem Prüfverfahren.

Einleitung

Bei der Härteprüfung nach Vickers wird als Eindringkörper eine vierseitige Diamantpyramide mit einem Öffnungswinkel von 136° genutzt (Öffnungswinkel = Winkel zwischen zwei gegenüberliegenden Flächen). Der Winkel wurde so gewählt, dass die Härtewerte nach Vickers bis zu einem gewissen Grad in etwa mit den Härtewerten nach Brinell vergleichbar sind (gilt bis ca. 400 HBW bzw. 400 HV). Die Diamantpyramide wird mit steigender Kraft in die Werkstoffoberfläche gedrückt und bei Erreichen der gewünschten Prüfkraft für etwa 10 bis 15 Sekunden aufrechterhalten. Wie bereits bei der Härteprüfung nach Brinell, so dient auch beim Vickers-Verfahren das Verhältnis von Prüfkraft F und Eindruckoberfläche A (Pyramidenfläche) als Härtewert:

\begin{align}
\label{vickershaerte}
&HV=\frac{0,102 \cdot F}{A} \\[5px]
\end{align}

Bei der Härteprüfung nach Vickers wird eine vierseitige Diamantpyramide in den Werkstoff gedrückt. Die hinterlassene Eindruckoberfläche dient als Maß für den Härtewert!

Der Faktor 0,102 stammt an dieser Stelle wieder aus der früher üblichen Einheit „Kilopond“ (siehe Härteprüfung nach Brinell). Die Eindruckoberfläche kann anhand der Diagonalen des hinterlassenen Eindrucks ermittelt werden. Mit dieser Eindruckdiagonalen \(d\) (in mm) und der verwendeten Prüfkraft \(F\) (in N) ermittelt sich der Vickershärtewert HV dann wie folgt:

\begin{align}
\label{vickershaertewert}
&\boxed{HV =\frac{0,1891 \cdot F}{d^2}} ~~~~~\text{Vickershärte} \\[5px]
\end{align}

Die Eindruckdiagonale \(d\) bestimmt sich über den Mittelwert der beiden rechtwinklig zueinander stehender Diagonalen \(d_1\) und \(d_2\):

\begin{align}
\label{durchmesserdiagonale}
&\boxed{d=\frac{d_1+d_2}{2}} \\[5px]
\end{align}

Gültigkeitsbereiche

Um die Gefahr der Materialauswölbung auf der gegenüberliegenden Probenseite zu verhindern sollte die Probendicke einen bestimmten Mindestwert nicht unterschreiten. Dieser ist abhängig von der zu erwartenden Härte des Werkstoffs und der Prüfkraft (Prüfbedingungen).

Zudem sollte der Abstand \(a\) vom Eindruckmittelpunkt zum Rand mindestens dem 2,5-fachen Wert der Eindruckdiagonalen \(d\) entsprechen, um ein Wegfließen des Werkstoffes zur Seite hin zu verhindern:

\begin{align}
\label{mindestrandabstand}
&\boxed{a \ge 2,5 \cdot d} \\[5px]
\end{align}

Darüber hinaus sollte der Abstand zweier benachbarter Probeneindrücke für Stahl und Kupfer mindestens so weit auseinanderliegen wie die 3-fache Diagonalenlänge eines Eindrucks (für Aluminium das 6-fache). Hiermit soll der Einfluss von Kaltverfestigungserscheinungen um den Bereich des Eindruckdurchmessers ausgeschaltet werden.

\begin{align}
\label{mindestprobenabstand}
&\boxed{\Delta a \ge 3 \cdot d} \\[5px]
\end{align}

Vergleichbarkeit der Härtewerte

Im Gegensatz zu einer Kugel (wie beim Brinellhärteprüfverfahren) liefert die eingedrückte Pyramide in gewissem Rahmen bei unterschiedlichen Prüfkräften stets geometrisch ähnliche Eindrücke. So führt bei jeweils identischen Proben die doppelte Kraft auch zu einer doppelten Eindruckoberfläche. Als Verhältnis von Kraft und Eindruckoberfläche ist der Härtewert somit trotz unterschiedlicher Prüfkräfte stets identisch*. Eingeschränkt werden muss die Unabhängigkeit des Härtewertes von der Prüfkraft bei geringen Prüfkräften. Dann nimmt nämlich die elastische Verformung einen größeren Anteil an der Gesamtverformung ein. Der bleibende Pyramideneindruck fällt folglich geringer aus und täuscht damit einen höheren Härtewert vor.

*) Beim Brinellhärteprüfverfahren ist dies nicht so. Dort würde bei derselben verwendeten Kugel die doppelte Kraft (höherer Beanspruchungsgrad) zu einem anderen Härtewert führen. 

Deshalb sollten Härtewerte nach Vickers auch wirklich nur dann miteinander verglichen werden, wenn sie mit denselben Prüfkräften ermittelt wurden. Ein härterer Werkstoff benötigt grundsätzlich höhere Prüfkräfte als ein weicherer Werkstoff. Je nach zu erwartender Härte des Werkstoffes sind unterschiedliche Prüfkräfte in Form von sogenannten Prüfbedingungen vorgeschrieben. Dabei werden drei Prüfbereiche unterschieden.

Zum einen der sogenannte Makroprüfbereich mit Prüfkräften zwischen 49,03 N (5 kp) und 980,7 N (100 kp), innerhalb dessen die Härtewerte praktisch unabhängig der Prüfkraft sind.

Zum anderen wird der der Kleinlastprüfbereich zwischen 1,961 N (0,2 kp) und 29,42 N (3 kp) unterschieden. Der Kleinlastbereich findet bei dünnen Randschichten und Blechen sowie bei Fertigteilen Anwendung, um das Bauteil nicht zu sehr zu beschädigen.

In Sonderfällen kommt auch der Mikrolastbereich zwischen 0,098 N (0,01 kp) und 1,961 N (0,2 kp) zur Anwendung. Dabei bietet die verwendete Pyramidenspitze einen zusätzlichen Vorteil gegenüber der Kugel beim Brinellverfahren, da selbst bei geringen Eindrucktiefen der pyramidenförmige Eindruck schärfere Ränder hinterlässt und damit besser ausgemessen werden kann. Bei geringen Eindrucktiefen steigt deshalb die Genauigkeit der Vickersprüfung gegenüber der Brinellhärteprüfung.

Im Gegensatz zur Härteprüfung nach Brinell eignet sich das Prüfverfahren nach Vickers für alle Härtebereiche, d.h. von sehr weichen bis sehr harten Werkstoffen. Zudem ist dieses Härteprüfverfahren auch bei dünnen Blechen oder dünnen Randschichten anwendbar, was es zu einem universellen Härteprüfverfahren macht.

Die Härteprüfung nach Vickers eignet sich für weiche bis sehr harte Werkstoffe und vor allem für dünne Bleche!

Normgerechte Angabe des Härtewerts

Die normgerechte Angabe der Vickershärte besteht aus der Angabe des Härtewertes, der Prüfbedingung (Prüfkraft) und der Einwirkdauer. Letztere kann bei der Standardeinwirkzeit von 10 bis 15 Sekunden wieder entfallen.

Sowohl das Härteprüfverfahren nach Brinell also auch das nach Vickers nutzt als Härtemaß die hinterlassene Eindruckoberfläche. Dabei wird die hinterlassene Eindruckgeometrie unter einem Mikroskop durch Ausmessen bestimmt. Dies erfordert in der Regel eine glänzende Oberfläche, damit der hinterlassene Eindruck auch optisch deutlich erkennbar wird. Eventuell muss die Probe vor dem Versuch poliert werden. Deshalb eigenen sich diese Verfahren im Allgemeinen nicht für die automatisierte Fertigung. Aus diesem Grund wurde das Härteprüfverfahren nach Rockwell entwickelt.

Einleitung

In vielen Anwendungsfällen von Bauteilen ist nicht nur eine hohe Festigkeit des Materials sondern auch eine hohe Verschleißfestigkeit gefragt. Dies gilt im Allgemeinen immer dann, wenn zwei oder mehrere Bauteile in beweglichem Kontakt zueinander stehen. Hierzu zählen bspw. Zahnräder, Wellen, Bolzen, Stifte, etc.

Eine hohe Verschleißfestigkeit bedeutet letztlich eine möglichst harte Oberfläche, sodass diese im Kontakt mit angrenzenden Bauteilen nicht beschädigt wird und somit der Verschleiß gering gehalten wird. Aus diesem Grund benötigt man Kennwerte, die Härte eines Werkstoffes charakterisieren. Um solche Kennwerte zu erhalten, muss zunächst der Begriff der Härte definiert werden:

Als Härte bezeichnet man den Widerstand eines Werkstoffes gegen Eindringen eines (Prüf-)Körpers.

Gemäß dieser Definition, beruhen letztlich alle Härteprüfverfahren auf demselben Prinzip. Mit bestimmter Kraft wird ein Prüfkörper (z.B. Kugel, Kegel, Pyramide, etc.) in die zu prüfende Werkstoffoberfläche gedrückt. Aus dem hinterlassenen Eindruck wird der entsprechende Härtewert bestimmt.

Je nach zu prüfendem Werkstoff und den gegebenen Randbedingungen haben sich unterschiedliche Härteprüfverfahren entwickelt, deren jeweiligen Messwerte im Allgemeinen nicht ineinander umgerechnet werden können. Deshalb sind Härtewerte nur dann vergleichbar, wenn sie durch identische Prüfverfahren gewonnen wurden. Die wichtigsten Verfahren werden im Folgenden vorgestellt und deren Vorteile und Nachteile erläutert:

• Härteprüfung nach Brinell (in diesem Artikel erklärt)
• Härteprüfung nach Vickers
• Härteprüfung nach Rockwell

Zur Härteprüfung können eigens angefertigte Proben genutzt werden oder auch direkt die gefertigten Bauteile, sofern die Funktionsfähigkeit aufgrund der hinterlassenen Eindruckoberfläche hierdurch nicht beeinträchtigt wird.

Bestimmung der Härte

Bei der Härteprüfung nach Brinell wird eine Kugel aus Hartmetall bei steigender Kraft innerhalb von rund 10 Sekunden in die zu prüfende Werkstoffoberfläche gedrückt. Die aufgebrachte Prüfkraft wird für weitere 15 bis 20 Sekunden aufrechterhalten, damit sich der Werkstoff während dieser Zeit setzen kann und die Messung reproduzier- und vergleichbare Messergebnisse liefert. Anschließend wird die hinterlassene Eindruckoberfläche unter einem Lichtmikroskop bestimmt. Das Verhältnis von Prüfkraft \(F\) und die vom Eindringkörper hinterlassene Eindruckoberfläche \(A\) (Kugelsegment) dient dabei als Maß für den Brinell-Härtewert HBW:

\begin{align}
\label{brinellhaerte}
&HBW=\frac{0,102 \cdot F}{A}  \\[5px]
\end{align}

Bei der Härteprüfung nach Brinell wird eine Hartmetallkugel in den Werkstoff gedrückt. Die hinterlassene Eindruckoberfläche dient als Maß für den Härtewert!

Der Faktor 0,102 in der Formel stammt aus der früher üblichen Einheit „Kilopond“ (1 kp ≙ 9,807 N), die heute nicht mehr zulässig ist. Deshalb wurde das Kilopond durch die Eindringkraft \(F\) (in der Einheit Newton) mit dem entsprechenden Umrechnungsfaktor von 0,102 (=1/9,807) ersetzt.

Die Eindringoberfläche \(A\) kann mit dem Durchmesser \(D\) der Prüfkugel und aus dem hinterlassenen Eindruckdurchmesser \(d\) mithilfe folgender Formel ermittelt werden:

\begin{align}
\label{kugelsegment}
&A=\frac{\pi}{2} \cdot D \cdot \left(D-\sqrt{D^2-d^2} \right)  \\[5px]
\end{align}

Durch Kombination Gleichung (\ref{kugelsegment}) und  Gleichung (\ref{brinellhaerte}) errechnet sich der einheitenlos angegebene Brinell-Härtewert HBW in Abhängigkeit der aufgebrachten Eindringkraft \(F\) (in N) und dem Kugeldurchmesser \(D\) (in mm) sowie dem hinterlassenen Eindruckdurchmesser \(d\) (in mm) schließlich wie folgt:

\begin{align}
\label{brinellhaertewert}
&\boxed{HBW =\frac{0,204 \cdot F}{\pi \cdot D \cdot \left(D-\sqrt{D^2-d^2} \right)}}  ~~~~~\text{Brinellhärte} \\[5px]
\end{align}

Aufgrund der Anisotropie im Verformungsverhalten kann es vorkommen, dass auf der Werkstoffoberfläche kein exakt runder Kreisabdruck. Dann ermittelt man den Eindruckdurchmesser \(d\) aus dem Mittelwert zweier rechtwinklig zueinander stehende Eindruckdurchmesser \(d_1\) und \(d_2\):

\begin{align}
\label{durchmesser}
&\boxed{d=\frac{d_1+d_2}{2}}  \\[5px]
\end{align}

Gültigkeitsbereiche

Damit der Werkstoff bei der Prüfung nicht über den Probenrand weggedrückt wird und einen niedrigeren Härtewert vortäuscht, sollte der Mittelpunkt des hinterlassenen Eindrucks mindestens so weit vom Rand entfernt sein wie der 2,5-fache Durchmesserwert des hinterlassenen Eindrucks.

\begin{align}
\label{mindestabstand}
&\boxed{a \ge 2,5 \cdot d}  \\[5px]
\end{align}

Werden in einer Probe mehrere Härteversuche durchgeführt, so muss darauf geachtet werden, dass die Eindrücke einen Mindestabstand zueinander nicht unterschreiten. Ansonsten würde das Messergebnis durch Verfestigungserscheinungen beeinflusst werden, welche um die jeweiligen Eindrücke entstehen. Dieser Abstand sollte den 3-fachen Durchmesserwert eines Eindrucks nicht unterschreiten.

\begin{align}
\label{mindestabstand_proben}
&\boxed{\Delta a \ge 3 \cdot d} \\[5px]
\end{align}

Um vergleichbare Ergebnisse zu erhalten sollte der hinterlassene Eindruckdurchmesser \(d\) zudem nicht kleiner als 24 % und nicht größer als 60 % des Prüfkörperdurchmessers \(D\) sein:

\begin{align}
\label{mindestdurchmesser}
&\boxed{0,24 \cdot D \le d \le 0,6 \cdot D} \\[5px]
\end{align}

Bei zu großen Eindruckdurchmessern, die im Bereich des Prüfkugeldurchmessers liegen, wird die Prüfkugel zu stark in den Werkstoff eingedrückt. Ein weiteres Eindringen erzeugt dann kaum noch einen größeren Eindruckdurchmesser, was aufgrund von Messungenauigkeiten in der Durchmesserbestimmung dann zu nicht mehr reproduzierbaren Härtewerten führt.

Bei einem zu geringen Eindruckdurchmesser im Vergleich zum verwendeten Prüfkugeldurchmesser, wird die Kugel hingegen kaum in den Werkstoff eingedrückt. Unscharfe Ränder sind die Folge, aus welchen sich nur sehr schwer der hinterlassene Eindruckdurchmesser bestimmen lässt. Aufgrund der geringen Verformung sind zudem elastische Verformungsanteile besonders hoch, sodass der Eindruckdurchmesser beim Abheben der Kugel wieder relativ stark abnimmt. Die an zu kleinen Eindruckdurchmessern gewonnenen Härtewerte sind dann ebenfalls nicht mehr aussagekräftig.

Belastungsgrad (Beanspruchungsgrad)

Aus diesem Grund darf die Flächenpressung zwischen Kugel und Werkstoffprobe nicht zu groß und nicht zu klein sein. Vergleichbare Ergebnisse sind bei unterschiedlichen Werkstoffen nur dann gegeben, wenn die Prüfung mit derselben Beanspruchung durchgeführt wurde. Größere Prüfkugeln erfordern aufgrund der größeren Fläche auch höhere Prüfkräfte als die Prüfung mit kleinen Prüfkugeln, bei denen sich die Kräfte auf eine geringere Oberfläche verteilen.

Um diesem Sachverhalt gerecht zu werden, definiert man den sogenannten Beanspruchungsgrad \(B\) (auch Belastungsgrad genannt). Dieser Belastungsgrad ist letztlich definiert aus dem Verhältnis von Prüfkraft zur Prüfkugeloberfläche und kann als eine Art „Flächenpressung“ betrachtet werden:

\begin{align}
\label{beanspruchungsgrad}
&\boxed{B =\frac{0,102 \cdot F}{D^2}} ~~~~~\text{Beanspruchungsgrad} \\[5px]
\end{align}

Für eine Vergleichbarkeit der Härtewerte, die mit unterschiedlichen Prüfkugeln an unterschiedlichen Werkstoffen gewonnen wurden, muss der Beanspruchungsgrad B in allen Fällen denselben Wert aufweisen!

Der Faktor 0,102 resultiert auch an dieser Stelle wieder aus der veralteten Einheit „Kilopond“. Harte Werkstoffe müssen im Gegensatz zu weicheren Werkstoffen mit einer größeren Beanspruchung und damit mit einem höheren Beanspruchungsgrad geprüft werden, um den Durchmesserbereich nach Gleichung (\ref{mindestdurchmesser}) einzuhalten.

Der Beanspruchungsgrad ist auf die Werte 1 – 2,5 – 5 – 10 – 15 – 30 genormt. In Abhängigkeit des zu erwartenden Härtewertes finden sich in Tabellenbüchern Anhaltswerte für den zu verwendeten Beanspruchungsgrad wieder. Mit Hilfe von Gleichung (\ref{beanspruchungsgrad}) kann dann in Abhängigkeit des dimensionslosen Beanspruchungsgrades \(B\) und des gewählten Kugeldurchmessers \(D\) (in mm) die einzustellende Prüfkraft \(F\) (in N) ermittelt werden.

Prüfkugeln

Als Prüfkugeln für die Brinellhärteprüfung stehen Sinterhartmetallkugeln mit einem genormten Durchmesser von 10 mm, 5 mm, 2,5 mm, 2 mm oder 1 mm zur Verfügung. Kleine Durchmesser sind bei dünneren Blechen notwendig, da zu große Kugeln den Werkstoff lediglich auf der gegenüberliegenden Blechseite wieder herauswölben würden. Grundsätzlich sollte die Probendicke \(s\) mindestens dem 8-fachen Wert der Eindringtiefe \(h\) entsprechen:

\begin{align}
\label{mindestprobendicke}
&\boxed{s \ge 8 \cdot h} ~~~~~\text{Mindestdicke der Probe} \\[5px]
\end{align}

Große Prüfkugeln eignen sich auch dann nicht, wenn es um die Härtebestimmung von dünnen Randschichten geht. In solche Fällen besteht die Gefahr, dass die Randschicht lediglich in den darunter liegenden Grundwerkstoff eingedrückt wird.

Größere Prüfkugeldurchmesser sind dann nötig, wenn es um die Prüfung von grobkörnigen, heterogenen Gefügen geht (z.B. Gusseisen). Durch die große Kugel sind an der Verformung dann möglichst viele einzelne (heterogene) Gefügebestandteile beteiligt und man erhält dadurch einen Härtewert der das gesamte Gefüge umfasst und nicht nur einzelne Phasen. Diese Prüfung von heterogenen Gefügen ist gleichzeitig die besondere Stärke der Härteprüfung nach Brinell. Grundsätzlich ist diese jedoch nur für weiche bis mittelharte Werkstoffe geeignet.

Die Brinellhärteprüfung eignet sich besonders für dickere, heterogene Werkstoffe im niedrigen bis mittleren Härtebereich! Dünne Bleche können mit der Brinellhärteprüfung nicht geprüft werden!

Die Brinellhärteprüfung eignet sich nicht für sehr harte Werkstoffe oder gehärteten Randschichten, da die Kugel nicht genügend in den Werkstoff eindringt. Höhere Prüfkräfte sind an dieser Stelle nicht die Lösung, da es dabei zu einer Verformung der Hartmetallkugel kommt. Durch die Abplattung entsteht dann ein Kugelabdruck der einen größeren Eindringdurchmesser hinterlässt und somit einen weicheren Werkstoff vortäuscht.

Auch sehr dünne Bleche können aufgrund des besagten Herauswölbens des Werkstoffes auf der gegenüberliegenden Blechseite nicht nach Brinell geprüft werden. Um auch diese Lücke zu schließen, wurde deshalb das im separaten Artikel näher vorgestellte Härteprüfverfahren nach Vickers entwickelt.

Normgerechte Angabe des Härtewerts

Die normgerechte Angabe der Brinellhärte besteht aus der Angabe des Härtewertes (HBW), dem Kugeldurchmesser (in Millimeter), der Prüfkraft (in Kilopond) und dessen Einwirkdauer (in Sekunden). Diese Werte werden ohne Einheit und durch Schrägstriche getrennt angegeben. Die Einwirkdauer kann dann weggelassen werden, wenn die Prüfung mit der Standardeinwirkzeit von 10 bis 15 Sekunden durchgeführt wurde.

Empirischer Zusammenhang zwischen Zugfestigkeit und Härte für unlegierte Stähle

Bei unlegierten und niedriglegierten Stählen existiert ein empirischer Zusammenhang zwischen dem Härtewert nach Brinell HBW und der Zugfestigkeit \(R_m\). Dieser besagt, dass die Zugfestigkeit (in N/mm²) in etwa dem 3,5-fachen Härtewert nach Brinell entspricht:

\begin{align}
\label{zugfestigkeit_brinell}
&\boxed{R_m \approx 3,5 \cdot \text{HBW}}  \\[5px]
\end{align}

Einleitung

Wie das Farbeindringverfahren ist auch die Magnetpulverprüfung ein Verfahren zur Untersuchung von Oberflächenfehlern wie bspw. Risse. Im Gegensatz zum Farbeindringverfahren können auch oberflächennahe Fehlstellen, die nicht unmittelbar bis an die Oberfläche reichen lokalisiert werden. Die Magnetpulverprüfung kann nur bei ferromagnetischen Stoffen angewendet werden und beruht auf dem Prinzip der Ablenkung von Magnetfeldlinien an Fehlstellen. Dabei werden zwei Versuchsvarianten unterschieden, die im folgenden näher erläutert werden:

• Magnetfelddurchflutung
• Stromdurchflutung

Magnetfelddurchflutung

Zunächst wird das zu untersuchende Bauteil gründlich gereinigt und die Prüfstelle mit einem Joch magnetisiert. Zwischen den Enden des Jochs bilden sich im Bauteil magnetische Feldlinien aus. Im rissfreien Zustand verlaufen diese nahe der Oberfläche geradlinig und parallel zueinander.

An Fehlstellen wie Rissen entsteht jedoch ein magentisches Streufeld, welches zur Folge hat, dass die Magnetfeldlinien verstärkt aus dem Werkstückinneren herausgedrängt werden. In diesem Bereich herrscht an der Oberfläche dann eine besonders große magnetische Wirkung. Auf die Oberfläche aufgetragene Eisenpartikel bleiben an diesen Fehlstellen deshalb besonders gut haften.

Als Prüfmittel wird nach der Magnetisierung ein ferromagnetisches Eisenoxidpulver aufgetragen, das mit einer fluoreszierenden Trägerflüssigkeit auf Ölbasis gemsicht ist (Prüfsuspension). Durch die Beimischung des Fluoreszenzmittels können die Fehlstellen unter ultraviolettem Licht besonders gut sichtbar gemacht werden.

Für eine optimale Fehlerauflösung sollte die Fehlstelle senkrecht zur den Magnetfeldlinien gerichtet sein, damit die magnetische Streufeldwirkung so groß wie möglich ausfällt. Risse die parallel zur Magnetfeldrichtung liegen, können aufgrund der geringen Streuwirkung hingegen kaum sichtbar gemacht werden. Um aber auch solche ungünstig liegenden Fehlstellen aufzulösen, können die Prüfstände per Tastendruck in den sogenannten Stromdurchflutungs-Modus geschaltet werden. Auf diese Verfahrensvariante wird im nächsten Abschnitt näher eingegangen.

Stromdurchflutung

Anstelle das Prüfstück direkt mit einem magnetischen Feld zu „durchfluten“, wird bei der Stromdurchflutung zunächst ein Stromfluss im Werkstück erzeugt. Hierzu wird anstelle des magnetischen Feldes ein elektrisches Feld über das Joch eingeleitet. Aufgrund der elektrischen Leitfähigkeit des metallischen Prüfstücks kommt es zu einem elektrischen Strom. Dieser Stromfluss bedingt wiederum ein magnetisches Feld, dessen Feldlinien sich konzentrisch zum Stromfluss ausbilden („Magnetfeld eines stromdurchflossenen Leiters“).

Im Vergleich zur Felddurchflutung erhält man nun ein senkrecht hierzu gerichtetes Magnetfeld, sodass damit auch die zuvor ungünstig gelegenen Fehlstellen optimal aufgelöst werden können.

Mit Hilfe der Wirbelstromprüfung können elektrisch Leitfähige Materialien im oberflächennahen Bereich auf Poren, Einschlüsse und Risse untersucht werden. Auch Schichtdickenprüfungen und Gefügeuntersuchungen sind mit diesem Verfahren möglich.

Der Wirbelstromprüfung liegt das Prinzip der elektromagnetischen Induktion zugrunde. Hierzu wird zunächst in einer mit Wechselstrom durchflossenen Erregerspule ein sich ständig wechselndes Magnetfeld erzeugt (Primärfeld). 

Dieses magnetische Wechselfeld induziert in der Nähe von metallsichen Oberfläche einen ringförmigen Stromfluss, welcher auch als Wirbelstrom bezeichnet wird. Auch dieser Wirbelstrom ändert sich gemäß dem wechselnden Primärmagnetfeld ständig. Die Wirbelströme können analog zu den spiralförmig verlaufenden Strömen der Erregerspule betrachtet werden und erzeugen somit ebenfalls ein Magnetfeld (Sekundärfeld).

Das im Werkstück durch Wirbelströme induzierte sekundäre Magnetfeld ist entgegengesetz zum äußeren primären Magnetfeld der Erregerspule gerichtet (Lenz’sche Regel). Das Sekundärfeld schwächt somit das Primärfeld und es entsteht ein etwas schwächer ausfallendes magnetisches Gesamtfeld.

Je nachdem wie gut oder schlecht die zu prüfende Oberfläche den Strom leitet, bilden sich mehr oder weniger starke Wirbelströme aus. Dies wiederum hat direkte Auswirkungen auf die Stärke des Sekundärfeldes und damit auf das Gesamtfeld. Auch die magnetischen Eigenschaften der zu prüfenden Oberfläche beeinflussen das Sekundärfeld und somit das Gesamtfeld. An Rissen, Poren oder sonstigen Einschlüssen ändern sich die elektrischen und magnetischen Eigenschaften in der Regel sehr stark, sodass sich dort das magnetische Gesamtfeld ändert. Die Änderung des magnetischen Gesamtfeldes dient somit als Nachweis von Fehlstellen.

Beachte, dass letztlich nur das Gesamtfeld auch tatsächlich physikalisch vorhanden ist. Das Primärfeld und das Sekundärfeld existiert für sich genommen nicht, da sich diese ja zum Gesamtfeld überlagern und in der Realität nicht getrennt existieren.

Um das Gesamtfeld bzw. dessen Änderung zu detektieren wird wiederum der Induktionseffekt ausgenutzt. Das ständig wechselnde Gesamtfeld induziert in einer weiteren Spule (Empfängerspule) eine Induktionsspannung. Diese Induktionsspannung in der Empfängerspule dient dann letztlich als Messgröße, da sich mit änderndem Gesamtfeld auch die Induktionsspannung an der Empfängerspule ändert.

Bei sogenannten Tastspulen ist die Empfängerspule direkt innerhalb der Erregerspule integriert. Um die Messempfindlichkeit zu steigern können auch zwei Empfängerspulen gegeneinander geschaltet werden. In diesem Fall wird dann nicht die Induktionsspannung einer Empfängerspule gemessen sondern die messtechnisch viel empfindlichere Differenz zwischen den Empfängerspulenspannungen.

Mithilfe des Farbeindringverfahrens können Oberflächenfehler von Bauteilen sichtbar gemacht werden. Da das zu untersuchende Bauteil dabei nicht beschädigt wird, zählt das Farbeindringverfahren zu den zerstörungsfreien Werkstoffprüfungen. Vor allem zur Untersuchung von möglichen Rissen wird dieses Verfahren angewendet, z.B. bei der Inspektion von Turbinenschaufeln.

Hierzu wird die untersuchende Oberfläche zunächst gründlich gereinigt, um die Risse von Verschmutzungen oder sonstigen Ablagerungen zu befreien. Anschließend wird das sehr dünnflüssige Farbmittel aufgetragen. Durch die Kapillarwirkung zieht die Prüfflüssigkeit tief in die Risse ein.

Nach einer Einwirkdauer von etwa 10 Minuten kann die Oberfläche mittels eines speziellen Reinigers gesäubert werden. Dabei wird jedoch lediglich die Oberfläche gereinigt, während die dünnflüssige Farbe durch die starke Kapillarwirkung weiterhin in den Rissen verbleibt.

Um die Farbe und damit die Risse letztlich sichtbar zu machen, wird nun eine Entwicklerflüssigkeit aufgetragen. Der Entwickler saugt die Farbflüssigkeit aus den Rissen und verbindet sich mit diesem. Unter sichtbarem oder ultraviolettem Licht kommen die Risse sehr gut sichtbar zum Vorschein und können beurteilt werden.

Das Farbeindringverfahren setzt voraus, dass Fehlstellen bis an die Oberfläche reichen, damit diese mit Farbe penetriert werden können. Fehlstellen unterhalb der Werkstückoberfläche können mit diesem Verfahren nicht erkannt werden. Bei ferromagnetischen Werkstoffen kann an dieser Stelle das Magnetpulververfahren angewendet werden.

Mit dem Farbeindringverfahren können nur Risse, die bis zur Oberfläche reichen, geprüft werden!

Einleitung

Das Ultraschallverfahren zählt zu den nicht-zerstörenden Prüfverfahren, da die zu prüfenden Werkstücke oder Bauteile während der Prüfung nicht beschädigt werden. Liegt nach der Prüfung keine Beanstandung vor, dann kann das Bauteil weiter eingesetzt werden. Ultraschallprüfungen werden somit häufig bei Inspektionen eingesetzt.

Die gängigste Form der Ultraschallprüfung beruht auf dem Impuls-Echo-Verfahren. Dabei werden akustische Wellen im Ultraschallbereich mit typischen Frequenzen zwischen 0,2 MHz und 100 MHz über einen Prüfkopf impulsartig in das zu prüfende Werkstück eingekoppelt. Die Impulsdauer der einzelnen Ultraschallpakete beträgt in der Regel wenige Mikrosekunden. Diese Schallimpulse breiten sich im Prüfstück mit charakteristischer Schallgeschwindigkeit (abhängig vom Material) aus. An Stellen wo sich die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Ultraschallimpulse ändert, werden die Schallwellen reflektiert. Man spricht dann von einem sogenannten Echo.

Echos entstehen insbesondere an Fehlstellen wie Poren, Lunker oder Risse, da die Schallgeschwindigkeit in der Metallstruktur um das circa 10- bis 20-fache höher liegt im Vergleich zur Luft. Solche Reflektionsstellen werden ganz allgemein auch als Reflektoren bezeichnet. Im Gegensatz zu Fehlerechos treten auch an der Rückwand des Werkstückes Reflektionen auf. Man spricht dann von einem Rückwandecho.

Die von der Rückwand oder von den Fehlstellen reflektierten Schallimpulse werden durch einen Empfänger wieder registriert. Aus der verstrichenen Zeit zwischen Aussenden eines Schallimpulses und Registrieren eines Fehlerechos kann bei bekannter Ausbreitungsgeschwindigkeit (Schallgeschwindigkeit des Werkstoffes) auf die Tiefe des Echopunktes und damit auf die Lage des Fehlers geschlossen werden. Dabei ist zu beachten, dass sich die gemessene Zeitdauer aus der doppelten Wegstrecke bis zum Erreichen des Echoortes ergibt, da der Schallimpuls nach der Reflexion schließlich wieder dieselbe Zeitdauer für den Rückweg benötigt.

Bei der Ultraschallprüfung werden Schallimpulse durch das Werkstück geleitet, welche an Fehlstellen reflektiert werden (Fehlerecho). Auf diese Weise können Fehlstellen lokalisiert werden!

Damit der Prüfkopf die Ultraschallimpulse auch in das Werkstück einkoppeln kann und nicht bereits an der Außenseite des Werkstückes die gesamten Schallimpulse zurückgeworfen werden (Eingangsecho), muss die gesamte Fläche des Prüfkopfes vollständig auf dem Prüfstück aufliegen. Aufgrund der Oberflächenrauhigkeit eines jeden Werkstückes bzw. Prüfkopfes ist dies jedoch nicht ohne Weiteres möglich. Aus diesem Grund wird ein gelartiges Kopplungsmittel (Koppelmittel) auf das Werkstück aufgetragen. Dieses benetzt die Oberfläche von Schallkopf und Werkstück vollständig und ermöglicht so ein reflektionsarmes Einleiten und Wiederempfangen der Schallimpulse. Um in speziellen automatisierten Verfahren die nötige Kopplungswirkung zu erzielen kann auch das gesamte Bauteil in ein Wasserbad eingetaucht werden.

Das Kopplungsmittel dient dem reflexionsarmen Einleiten der Ultraschallwellen in das Prüfstück und dem reflexionsarmen Wiederempfangen!

Besondere Bedeutung bei der Prüfung von Werkstücken haben die verwendeten Prüfköpfe, die je nach Anwendungsfall sorgfältig ausgewählt werden müssen. Um die unterschiedlichen Anforderungen an die Prüfköpfe besser verstehen zu können, wird im Folgenden kurz auf die Erzeugung und Ausbreitung von Ultraschall näher eingegangen.

Erzeugung und Empfang von Ultraschall

Das Prinzip der Ultraschallerzeugung beruht auf dem piezoelektrischen Effekt (Piezoeffekt). Historisch entdecke man die Piezoelektrizität zuerst an Quarz (Siliciumdioxid, \(SiO_2\)). Dabei stellte man fest, dass es bei einer einseitigen mechanischen Beanspruchung (Druck- oder Zugbeanspruchung) zu einer Verschiebung der Ladungsschwerpunkte in der Atomstruktur des Quarzes kommt. Es bilden sich elektrische Dipole aus, die schließlich zu einer elektrischen Spannung zwischen der Ober- und Unterseite des Quarzes führen. Nicht nur Siliciumdioxid sondern auch viele weitere Stoffe wie bspw. künstlich hergestellte Keramiken weisen einen piezoelektrischen Effekt auf. Solche Materialien werden ganz allgemein als Piezokristalle bezeichnet.

Als piezoelektrischen Effekt bezeichnet man das Entstehen einer elektrischen Spannung durch mechanische Verformung von bestimmten Materialien (Piezokristallen)!

Der piezoelektrische Effekt lässt sich aber auch umkehren! Bei Anlegen einer äußeren elektrischen Spannung kommt es dann zu einer Verformung des Kristalls. Je nach Polarität wird der Piezokristall entweder gestaucht oder gedehnt. Mit diesem reziproken Piezoeffekt („umgekehrten Piezoeffekt“) kann also elektrische Energie in mechanische Energie umgewandelt werden.

Wird an einen Piezokristall eine Wechselspannung angelegt, dann wechseln sich Druck- und Zugspannungen permanent ab. Es kommt in der Folge zu einem Schwingungsverhalten des Kristalls. Die erzwungene Schwingungsfrequenz geht mit der Frequenz der Wechselspannung einher. Besonders stark ausgeprägt ist diese angeregte Schwingung, wenn die Wechselspannungsfrequenz mit der Eigenfrequenz des Kristalls übereinstimmt. Es kommt dann zur Resonanz und der Piezokristall schwingt sich maximal auf. Die Eigenfrequenz des Kristalls ist dabei hauptsächlich von dessen Geometrie abhängig. Somit lässt sich durch Ändern der Geometrie die Eigenfrequenz des Piezokristalls auf den gewünschten Wert einstellen.

Der Kristall schwingt bei Anregung mit einer Wechselspannung wie die Membran eines Lautsprechers und überträgt diese Schwingungen entweder auf die umgebende Luft oder wie im Fall der Ultraschallprüfung auf das zu prüfende Bauteil. Der Piezokristall dient in diesem Fall als Sender von Schallwellen.

Durch Anlegen einer hochfrequenten Wechselspannung an einen Piezokristall führt dieser Schwingungen im Ultraschallbereich aus und dient somit als Sender von Ultraschallwellen!

Gleichzeitig kann ein Piezokristall auch als Empfänger von Schallwellen dienen. Treffen Schallwellen auf den Piezokristall, dann rufen diese im Inneren Druck- bzw. Zugspannungen hervor (auf die dieselbe Weise wie auch das menschliche Trommelfell durch Schallwellen angeregt wird). Die damit verbundene elektrische Spannung dient direkt als Empfangssignal. Piezokristalle dienen also sowohl der Erzeugung als auch dem Empfang von (Ultra-)Schallwellen.

Ausbreitung von Ultraschall

Je nach Medium können sich Schallwellen auf unterschiedliche Weise fortbewegen. In gasförmigen, flüssigen oder festen Stoffen kann sich Schall in Form von Druckschwankungen ausbreiten. Die Materieteilchen werden lokal verdichtet („Überdruck“) und verdünnt („Unterdruck“) und übertragen den entsprechenden Impuls auf die benachbarten Teilchen. Die Schwingungsrichtung der einzelnen Teilchen ist mit der Ausbreitungsrichtung der Schallwelle identisch. Man spricht in diesem Fall auch ganz allgemein von Longitudinalwellen (Längswellen).

Bei Longitudinalwellen (Längswellen) schwingen die einzelnen Teilchen längs in Ausbreitungsrichtung der Welle.

Neben der Ausbreitung als Longitudinalwelle besteht in Festkörpern zusätzlich noch eine weitere Möglichkeit der Schallausbreitung. Die Materie kann neben einer Verdichtung bzw. Verdünnung auch eine „seitliche“ Verschiebung erfahren (analog zum Auf- und Abschwingen eines Seiles). Eine solche seitliche Verschiebung wirkt sich auf die benachbarten Teilchen aus, die hierdurch ebenfalls eine seitwärtsgerichtete Kraft erfahren und damit nach und nach in Schwingung versetzt werden. In diesem Fall ist die Schwingungsrichtung der einzelnen Teilchen senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der Welle. Eine solche Welle wird dann auch als Transversalwelle (Querwelle) bezeichnet.

Bei Transversalwellen (Querwellen) schwingen die einzelnen Teilchen quer zur Ausbreitungsrichtung der Welle.

Transversalwellen können nur in Medien entstehen bei denen die einzelnen Teilchen durch Bindungskräfte mit ihren benachbarten Teilchen elastisch gekoppelt sind. Denn nur dann können die einzelnen Teilchen bei ihrer Auf- und Abbwegung auch die benachbarten Teilchen „mitreißen“. Dies trifft folglich nur für Feststoffe, da in Flüssigkeiten und in Gasen keine ausreichenden intermolekularen Bindungskräfte vorhanden sind.

In Festkörpern kann sich Schall sowohl als Longitudinalwelle als auch als Transversalwelle ausbreiten; in Flüssigkeiten und Gasen hingegen nur als Longitudinalwelle.

Die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Schalls (Schallgeschwindigkeit genannt) ist in erster Linie nur vom Medium abhängt, in dem sich der Schall ausbreitet. Die Geschwindigkeit mit der die einzelnen Teilchen hin- und herschwingen (Schnelle genannt) hat keinen Einfluss auf die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Welle. Die Geschwindigkeit des Hin- und Herschwingens besimmt lediglich die Frequenz der Schallwelle. Hierdurch breitet sie sich aber nicht schneller oder langsamer aus. Strenggenommen ist die Schallgeschwindigkeit auch noch von der Temperatur des Mediums abhängig. Ebenfalls muss bei Festkörpern berücksichtigt werden, ob sich die Schallwelle als Longitudinal- oder als Transversalwelle ausbreitet.

Die Schallgeschwindigkeit hängt in erster Linie eine vom Medium ab in dem sie sich ausbreitet.

Prüfköpfe

Das Prinzip des Aussendens und Empfangens von Ultraschallwellen wird in sogenannten Prüfköpfen technische umgesetzt. Je nach Anwendung haben sich unterschiedliche Prüfköpfe entwickelt. Auf die wichtigsten soll in den folgenden Abschnitten näher eingegangen werden.

Normal-Prüfköpfe

Die einfachste Ausfühung der Prüfköpfe geschieht in Form von Normal-Prüfköpfen (Senkrecht-Prüfköpfe). Diese besitzen nur ein einzelnes Piezoelement (Schwinger), welches abwechselnd als Sender und Empfänger geschaltet wird.

Während der Zeitdauer des Aussendens eines Ultraschallimpulses ist grundsätzlich kein Empfangen möglich. Erst wenn der Ultraschallimpuls vollständig ausgesendet wurde, kann nach einer kurzen Abklingphase des schwingenden Kristalls das Piezoelement wieder auf den Empfangsmodus geschaltet werden. Über diese Zeitdauer hinweg hat der ausgesendete Ultraschallimpuls bereits eine gewisse Strecke im Prüfstück zurückgelegt und wurde evtl. auch bereits an Fehlstellen reflektiert. Jedoch konnte der Prüfkopf diese reflektierten Signale gar nicht registrieren, da er noch nicht auf „Empfangen“ geschaltet war.

Diese Zeitdauer innerhalb deren kein Fehlersignal erhalten werden kann wird auch als Totzeit bezeichnet. Die Totzeit setzt sich zusammen aus der Zeitdauer des Aussendes eines Ultraschallimpulses und der Dämpfungsdauer bis die Schwingungen des Piezokristalls abgeglungen sind, bevor der Prüfkopf in den Empfangsmodus wechseln kann. Die Totzeit führt in Verbindung mit der Schallausbreitungsgeschwindigkeit dazu, dass unterhalb der Werkstückoberfläche eine sogenannte tote Zone entsteht. Fehler innerhalb dieser toten Zone können vom Prüfgerät nicht erkannt werden.

Normalprüfköpfe senden und empfangen abwechselnd Ultraschallwellen; sie eignen sich aufgrund der entstehenden „toten Zone“ nicht für die Prüfung oberflächennaher Fehler!

Um die tote Zone möglichst gering zu halten, sollte der Prüfkopf nach Aussenden der Ultraschallimpulse möglichst schnell auf den Empfangsmodus wechseln. Hierzu muss der schwingende Piezokristall stark gedämpft werden. Aus diesem Grund befindet sich rückwärtig am Kristall ein Dämpfungskörper, der die Schwingungen nach dem Aussendeimpuls möglichst rasch zum Erliegen bringt. Zugleich wird ein Schwingen des gesamten Prüfkopfes durch rückwärtig abgestrahlte Schallwellen vermieden.

Als mechanischer Schutz ist der Piezokristall durch eine Schutzschicht von der Werkstückoberfläche bzw. von dem aufgetragenen Kopplungsmittel getrennt. Diese Schicht verhindert Beschädigungen am Piezoelement während der Ultraschallprüfung. Zusätzlich zum Kopplungsmittel ermöglicht die Schutzschicht bereits ihrerseits eine gute Schallankopplung an das Werkstück. Prüfköpfe für glatte Werkstückoberflächen werden meist mit härteren (verschleißfesten) Schutzschichten ausgestattet, während für raue Oberflächen eher weichere (schallverlustärmere) Schutzschichten verwendet werden.

Delay-Line-Prüfköpfe

Die in der Standardausführung verwendeten Senkrecht-Prüfköpfe verursachen eine relativ große tote Zone. Vor allem bei der Prüfung von oberflächennahen Fehlern oder der Schichtdickenmessung ist jedoch eine gute Nahauflösung dicht unterhalb der Werkstückoberfläche unabdingbar.

Aus diesem Grund können Prüfkopfe mit einer integrierten Vorlaufstrecke ausgerüstet werden, die die tote Zone weitestgehend aus dem Prüfstück hinaus verschieben. Man spricht in diesem Zusammenhang auch von Delay-Line-Prüfköpfen (engl. to delay = verzögern). Die Vorlaufstrecke ist dabei aus gut schallleitfähigem Kunststoff gefertigt. Zwischen Piezoelement und Vorlaufstrecke befindet sich eine Anpassschicht. Diese sorgt für eine gute Schallübertragung bei gleichzeitig großer Dämpfung, sodass häufig ein separater Dämpfungskörper entfallen kann.

Delay-Line-Prüfköpfe haben eine integrierte Vorlaufstrecke, innerhalb derer die „tote Zone“ überbrückt wird und somit auch oberflächennahe Fehler registriert werden können!

Bei der Verwendung von Delay-Line-Prüfköpfen treten Reflexionen grundsätzlich beim Schalleintritt in die Vorlaufstrecke und beim Austritt aus der Vorlaufstrecke auf. Es kann zu ungünstigen Signalüberschneidungen mit einem möglichen Fehlerecho kommen. Aus diesem Grund wurden die nachfolgend erläuterten SE-Prüfköpfe entwickelt.

Sender-Empfänger-Prüfköpfe (SE-Prüfköpfe)

In Sender-Empfänger-Prüfköpfen (SE-Prüfköpfe) sind Sender und Empfänger gleichzeitig integriert und durch eine Schallbarriere akustisch voneinander getrennt. Mit diesen Prüfköpfen kann durch getrennte elektrische Ansteuerung gleichzeitig gesendet und empfangen werden. Der Sendeimpuls hinterlässt durch die akustische Trennung für den Empfänger kein störendes Echo von der Vorlaufstrecke. Dies ermöglicht die Erkennung von oberflächennahen Fehlern und die Vermessung von dünnen Wandstärken.

Damit ein Fehlerecho nicht wieder beim Sender aufläuft sondern am Empfänger registriert werden kann, müssen die Schallimpuls leicht schräg in das Werkstück eingestrahlt werden. Nur so kann das Fehlerecho auch wieder schräg zum räumlich getrennten Empfänger gelangen. Aus diesem Grund sind Sender und Empfänger leicht zueinander geneigt. Es bildet sich dabei jedoch eine tote Zone, innerhalb deren die Fehlerechos praktisch am Empfänger vorbeireflektiert werden. Je stärker Sender und Empfänger geneigt sind, desto geringer wird die tote Zone, jedoch können dann tieferliegende Fehler weniger gut aufgelöst werden.

Die Tiefe des maximalen Auflösungsvermögens liegt im Schnittpunkt der akustischen Achsen von Sender und Empfänger. Dort ist die Messempfindlichkeit am größten. Bei relativ steiler Neigung liegt die größte Messempfindlichkeit folglich sehr dicht an der Oberfläche und die tote Zone fällt relativ gering aus. Aufgrund der geringen Überlappung der Schallwege nimmt die Empfindlichkeit in hiervon abweichenden Tiefen jedoch sehr stark ab. Ein über weitere Strecken gutes Auflösungsvermögen kann zwar durch kleinere Neigungswinkel erzielt werden, jedoch vergrößert sich hierdurch die tote Zone.

SE-Prüfköpfe können Ultraschallwellen senden und gleichzeitig empfangen. Je nach Neigung von Sender und Empfänger kann die Messempfindlichkeit auf eine bestimmte Tiefe optimiert werden!

Bei der Ermittlung der Fehlertiefe ist zu beachten, dass SE-Prüfköpfe ein V-förmigen Schallweg im Prüfstück verursachen. Der Schallweg und die Laufzeit des Ultraschallsignals sind somit bei SE-Prüfköpfen größer als bei Senkrecht-Prüfköpfen. Des weiteren ist zu beachten, dass es aufgrund der schrägen Einschallung zur Brechung an der Grenzfläche zum Prüfobjekt kommt, d.h. die ursprüngliche Schallrichtung ändert sich sobald die Schallwelle in das Prüfstück eintritt (Brechung ist ein allgemeines Phänomen von Wellen, wenn diese in ein Medium mit geänderter Ausbreitungsgeschwindigkeit eindringen)!

Winkelprüfköpfe

Die Prüfung von Schweißnähten erfordert eine schräge Einschallung der Ultraschallimpulse, damit die Grenzschicht zwischen Schweißnahtwerkstoff und Grundwerkstoff auf Risse oder Ähnliches untersucht werden kann. Aus diesem Grund wurde Winkelprüfköpfe entwickelt, welche die Schallwellen unter einem bestimmten Winkel in das Prüfstück eintstrahlen und unter diesem auch wieder empfangen. Häufige verwendete Winkelstellungen liegen bei 45°, 60° und 70°.

Winkelprüfköpfe eigenen sich durch die schräge Einschallung besonders für die Prüfung von Schweißnähten!

In der Regel sind Winkelprüfköpfe mit Vorlaufstrecken ausgerüstet, die dann auch als Vorlaufkeile bezeichnet werden. Winkelprüfköpfe können auch mit SE-Prüfköpfen ausgerüstet werden, sogenannte Winkel-SE-Prüfköpfe.

Mit der schrägen Einschallung ist zusätzlich eine Winkeländerung durch Brechung verbunden. Da sich die eingestrahlten Schallwellen im Vorlaufkeil (bzw. in der Schutzschicht) in der Regel langsamer ausbreiten als im Werkstück findet an der Grenzfläche eine Brechung weg vom Lot statt. Zudem breitet sich die Schallwelle nicht mehr als Longitudinalwelle sondern als Transversalwelle aus. Der Longitudinalwellenanteil wird aufgrund der stark unterschiedlichen Ausbreitungsgeschwindigkeit an der Grenzschicht totalreflektiert.

Phased-Array-Prüfköpfe

Phased-Array-Prüfköpfe setzen sich im Prinzip aus einer Vielzahl ein einzelnen Schwingern zusammen. Solche Prüfköpfe werden deshalb auch als Gruppenstrahler bezeichnet. In einer Gruppe befinden sich bspw. 16, 32, 64 oder mehr Schwinger. Die einzelnen Schwinger können zeitlich getrennt angesteuert werden. Dies ermöglicht ein breites Anwendungsspektrum da hiermit die Sendecharakteristik gezielt beeinflusst werden kann. Phased-Array-Prüfköpfe können nur mit speziellen Prüfgeräten verwendet werden, die eine entsprechende Software zur Ansteuerung der Prüfköpfe besitzen.

Phased-Array-Prüfköpfe beinhalten eine Vielzahl an einzel ansteuerbaren Schwingern. Hierdurch kann die Sendecharakteristik gezielt beeinflusst werden!

Grundlage für die Beeinflussung der Sendecharakteristik bildet das Huygenssche Prinzip, welches besagt, dass die Einhüllende der einzelnen Ultraschallwellen die neue Wellenfront bilden.

Die Animationen unten zeigen verschiedene zeitliche Ansteuerungen. Werden die einzelnen Schwinger zeitlich nacheinander angesteuert, dann erhält man eine Winkelanschallung. Das Schallfeld kann auch während der Prüfung permanent geschwenkt werden. Der Fehler wird dann unter verschiedenen Winkeln sichtbar und lässt in begrenztem Umfang Aufschluss auf die Fehlergröße zu (auch Ungänze genannt). Dies ist in der Regel bei einfachen Prüfköpfen nicht ohne Weiteres möglich.

Des Weiteren kann durch geschickte Wahl der Ansteuerung eine Fokusierung der Ultraschallwellen auf einer bestimmten Tiefe erzielt werden. Die Fokusierung kann sich dabei auch zeitlich ändern, sodass diese permanent durch das Prüfstück wandert.

Vorteile, Nachteile und Grenzen des Ultraschallverfahrens

Die Ultraschallprüfung wird nicht nur zur Fehlerprüfung sondern auch zur Wanddickenmessung oder zur Schichtdickenmessung bei verschleißbehafteten Bauteilen verwendet. Besondere Bedeutung hat das Verfahren bei der Schweißnahtprüfung mittels Winkelprüfkopf. Zudem ist das Ultraschallverfahren gut automatisierbar und im Vergleich zur Röntgenstrahlverfahren ohne Schutzausrüstung durchführbar. Prüftiefen von mehreren Metern sind je nach akustischen Eigenschaften des Prüfkörpers theoretisch möglich.

Neben der innenliegenden Fehlerprüfung findet die Ultraschallprüfung auch bei Wanddicken- und Schichtdickenmessungen statt!

Mit der Ultraschallprüfung kann zwar sehr zuverlässig die Lage eines Fehlers bestimmt werden, die Fehlergröße ist hingegen nicht ohne Weiteres ermittelbar. Ein länglicher Fehler sollte dabei möglichst senkrecht angeschallt werden, um diesen optimal auflösen zu können. Um zumindest die ungefähre Dimension eines Fehlers abzuschätzen, kann der Fehler – wenn möglich – von unterschiedlichen Winkel angeschallt werden und das erhaltene Fehlerecho mit den Echos von Musterfehlern abgeglichen werden. Die oben erläuterten Phased-Array-Prüfköpfe können diese Funktion der unterschiedlichen Anschallwinkel in begrenztem Umfang übernehmen. Eine solche Vergleichsmethode liefert jedoch keine 100%ig zuverlässige Aussage.

Je nach Orientierung der Fehler können diese nur schwer erkannt werden. Ebenso ist die Fehlergröße meist nicht eindeutig bestimmbar!

Das Auflösungsvermögen von möglichen Fehlern ist je nach verwendeter Ultraschallfrequenz begrenzt. Fehlstellen die kleiner als die halbe Wellenlänge der Ultraschallimpulse sind, können physikalisch nicht mehr aufgelöst werden. Da die Wellenlänge mit größer werdender Frequenz abnimmt, können kleinere Fehler folglich nur durch höhere Schallfrequenzen aufgelöst werden. Jedoch erhöht sich mit steigender Frequenz auch die Schallabsorption, sodass die hochfrequenten Ultraschallimpulse tieferliegende Fehler eventuell nicht mehr erreichen können.

Nur Fehlstellen die größer als die halbe Wellenlänge der verwendeten Ultraschallwellen sind, können physikalisch aufgelöst werden!

Bleche für Tiefziehanwendungen müssen eine sehr gute Kaltumformbarkeit aufweisen, d.h. sie müssen sich stark verformen lassen, ohne dass dabei ein Riss entsteht. Entsprechende Verformungskennwerte aus dem Zugversuch wie Bruchdehnung und Brucheinschnürung haben an dieser Stelle nur bedingt Aussagekraft, da der Zugversuch aufgrund der relativ massiven Probe nur geringe Umformgrade zulässt. Bleche werden hingegen um ein Vielfaches stärker umgeformt und unterliegen während der Beanspruchung einem mehrachsigen Spannungszustand.

Aus diesem Grund unterzieht man Bleche zur Charakterisierung ihrer Tiefziehfähigkeit einem speziellen technologischen Versuch, dem sogenannten Tiefungsversuch (nach Erichsen). Dabei wird eine Stahlkugel mit einem Durchmesser von 20 mm in ein Blech gedrückt, das von einem Niederhalter in Position gehalten wird. Mit steigender Kraft wird die Kugel mehr und mehr eingedrückt und das Blech wölbt sich – im Gegensatz zur Härteprüfung nach Brinell – auf der gegenüberliegenden Seite heraus. Die Tiefe \(f\) bis wohin die Stahlkugel maximal eingedrückt wird, ohne dass dabei ein Anriss im Blech entsteht, wird für die Beurteilung der Tiefziehfähigkeit zugrunde gelegt. Mit dem Tiefungsversuch können Bleche mit bis zu 3 mm Dicke geprüft werden.

Aber nicht nur die Tiefung wird zur Charakterisierung der Tiefziehfähigkeit verwendet sondern auch das Aussehen der tiefgezogenen Probe. So kann sich die Blechoberfläche während des Versuchs eventuell stark aufrauen, was dann trotzt einer guten Tiefung in einigen Fällen störend sein kann.

Im Zeitstandversuch werden Werkstoffproben bei erhöhter Temperatur einer konstanten Beanspruchung unterworfen und die Dehnung in Abhängigkeit der Zeit gemessen. In einigen Fällen wie bspw. bei Schraubenverbindungen ist das Belastungsverhalten bei hohen Temperaturen jedoch gerade umgekehrt. Der Schraubenschaft wird nach dem Anzug der Schraube mit einer konstanten Dehnung beansprucht, während durch Kriechvorgänge die Spannung mit der Zeit abnimmt. Diese „Entspannung“ wird auch als Relaxation bezeichnet und führt allmählich dazu, dass die Schraube „locker“ wird.

Um Werkstoffe hinsichtlich deren Relaxationsverhalten zu beurteilen, werden in Relaxationsversuchen Proben bei erhöhter Temperatur in eine feste Vorrichtung eingespannt und gedehnt. Die Dehnung wird durch die Einspannung konstant aufrechterhalten, während der zeitliche Abfall der Spannung gemessen wird. Der gewonnene Kennwert aus dem Relaxationsversuch nennt sich Relaxationsspannung.

Die Relaxationsspannung gibt für eine bestimmte Temperatur an auf welchen Wert die Spannung bei einer gewissen Dehnung nach einer bestimmten Zeit fällt!

Kriechen

Werden Bauteile unter normalen Bedingungen unterhalb der Streckgrenze mit einer konstanten Zugbeanspruchung belastet, so ergibt sich in der Regel eine zeitlich konstante (elastische) Dehnung. Oberhalb der Streckgrenze kommt es zu plastischen Verformungen, die jedoch durch Kaltverfestigungseffekte wieder zum Erliegen kommen können. Unter normalen Umständen wird sich auch in diesem Fall keine weitere Dehnung des Bauteils mehr ergeben. Trotz plastischer Verformung kommt es somit nicht zum Bruch des Bauteils. Diese Verhaltensweisen gelten jedoch nur unter der Voraussetzung, dass das Bauteil nicht allzu hohen Temperaturen ausgesetzt ist. Bei erhöhten Temperaturen verhalten sich Werkstoffe nämlich oftmals anders.

Bei erhöhten Temperaturen stellt man in der Regel ein „aufweichen“ des Werkstoffes fest und sowohl die Streckgrenze als auch die Zugfestigkeit nehmen ab. Bis zu gewissen Temperaturen kann dies im Zugversuch mit erwärmten Proben nachgewiesen werden. Die unter erhöhten Temperaturen gewonnenen Streckgrenzen werden dann als Warmstreckgrenzen bezeichnet.

Als Warmstreckgrenzen bezeichnet man Elastizitätsgrenzen bei erhöhten Temperaturen!

Die Warmstreckgrenzen können jedoch nur dann als Grundlage für die Konstruktion von Bauteilen herangezogen werden, wenn das nachfolgend erläuterte Kriechen nicht eintritt oder vernachlässigt werden kann.

So können hohe Temperaturen auch dazu führen, dass Werkstoffe bei langanhaltender Beanspruchung ihre klassische Elastizitätsgrenze verlieren. Der Werkstoff dehnt sich bei noch so geringen Spannungen über eine längere Zeit irreversibel. Diese über einen längeren Zeitraum andauernde plastische Verformung bei erhöhter Temperatur und unter statischer Beanspruchung wird auch als Kriechen bezeichnet.

Als Kriechen bezeichnet man die irreversible Verformung eines Werkstoffes bei erhöhten Temperaturen; selbst bei noch so geringen Spannungen!

Die Ursache des Kriechens ist im Abschnitt Kriechmechanismus näher erläutert. Das Kriechen nimmt grundsätzlich mit folgenden Einflussgrößen zu:

• Beanspruchungshöhe,
• Beanspruchungstemperatur und
• Beanspruchungsdauer

In Zugversuchen kann das Kriechverhalten nicht realitätsgetreu erfasst werden, da die Probe unter zügig steigender Beanspruchung relativ schnell verformt und zum Bruch geführt wird. Die zeitgesteuerten Kriechvorgänge treten dann in den Hintergrund. Dies gilt auch für die im Warmzugversuch ermittelten Warmstreckgrenzen.

Aus diesem Grund finden Versuche statt, die bei konstanter Zugbeanspruchung über einen relativ langen Zeitraum bei erhöhter Temperatur gefahren werden und so das stattfindende Kriechen erfasst werden kann. Diese sogenannten Kriechversuche oder Zeitstandversuche können in Langzeitversuchen einen Zeitraum von mehreren Jahren (!) umfassen. Der Kriechversuch hat bspw. bei Werkstoffen für Turbinenschaufeln oder für Schrauben von Druckbehältern eine große Bedeutung.

Der Zeitstandversuch (Kriechversuch) dient der Untersuchung der Warmfestigkeit von Werkstoffen, die über längeren Zeitraum einer konstanten Beanspruchung bei erhöhter Temperatur unterliegen.

Beachte, dass das Phänomen des Kriechens auch bei relativ niedrigen Temperaturen auftritt. Jedoch laufen die hierfür notwendigen Vorgänge in der Regel so langsam ab, sodass das Kriechen bei Raumtemperatur für metallische Werkstoffe in der Praxis keine Bedeutung hat. Erst im Bereich ab ca. 40 % der Schmelztemperatur (in Kelvin) ist mit einem technisch relevanten Kriechverhalten zu rechnen. Für Baustähle bedeutet dies, dass Kriechvorgänge ab Temperaturen von etwa 400 °C zu berücksichtigen sind.

Kriechkurven

Im Zeitstandversuch (stress-rupture-test) wird bei konstanter Temperatur die Zeitdauer \(t\) ermittelt, die bei gegebener Spannung \(\sigma\) zu einem bestimmten plastischen Dehnbetrag \(\epsilon\) oder zum Bruch der Probe führt. Wird zusätzlich in regelmäßigen Zeitabständen der plastische Verformungsanteil der Probe gemessen (Kriechdehnung), so bezeichnet man diese Versuchsvariante dann auch als Kriechversuch (creep-rupture-test). Diese Vorgehensweise wird an mehreren identischen Proben mit unterschiedlichen Spannungen wiederholt, wobei die Prüftemperatur in allen Fällen unverändert bleibt. Die erhaltenen zeitlichen Verläufe der Kriechdehnungen werden auch als Kriechkurven bezeichnet. Aufgrund der großen Wertebereiche wird das Diagramm meist in einem doppellogarithmischen Maßstab ausgeführt.

Im Zeitstandversuch wird bei konstanter Spannung und Temperatur die Zeitdauer bis zum Bruch der Probe ermittelt. Im Kriechversuch wird zusätzlich das explizite Verhalten der Dehnung in Abhängigkeit der Zeit aufgezeichnet (Kriechkurven)!

Aus den Kriechkurven können anschließend die zu einer bestimmten plastischen Dehnung oder zum Bruch führenden Zeitwerte in ein separates Zeit-Spannungs-Diagramm übertragen werden. Diese Diagrammform wird dann auch als Zeitstandfestigkeits-Diagramm oder kurz als Zeitstandschaubild bezeichnet. Bei gegebener Einsatzdauer kann aus diesem Diagramm die Spannung ermittelt werden, die nach Ablauf der Einsatzdauer zu einer bestimmten Dehnung (Zeitdehngrenze) oder zum Bruch der Probe führt (Zeitstandfestigkeit). Beachte, dass Zeitstanddiagramme immer nur für eine bestimmten Temperatur gelten!

Eine Zeitdehngrenze in der Angabe \(R_{p1/10.000h/400°C}\) = 170 N/mm² bedeutet, dass sich der Werkstoff bei einer Temperatur von 400 °C um 1 % plastisch dehnt, wenn dieser einer Spannung von 170 N/mm² für 10.000 Stunden ausgesetzt wird. Die Angabe einer Zeitstandfestigkeit von bspw. \(R_{m/10.000h/500°C}\) = 74 N/mm² meint, dass der Werkstoff bei einer Temperatur von 500 °C einer Belastung von 74 N/mm² für insgesamt 10.000 Stunden standhalten kann bevor er bricht.

Beachte, dass es bei Zeitstandversuchen keine Dauer(stand)festigkeiten wie bei Dauerschwingversuchen gibt, d.h. die Probe wird bei noch so geringen Spannungen früher oder später immer plastische Verformungen davontragen oder zu Bruch gehen.

Kriechmechanismus

Grund für das Kriechen sind thermisch aktivierte Vorgänge. So treten bei hohen Temperaturen verstärkt Diffusionsvorgänge in Kraft. Durch die vermehrt stattfindenden Platzwechsel der Atome können sich festgesetzte Versetzungen bspw. durch Klettern oder Quergleiten wieder von Hindernissen lösen und auf andere Gleitebenen übergehen und weiterwandern (Versetzungsgleiten). Es kommt somit selbst bei geringen Spannungen zu irreversiblen Verformungsvorgängen.

Darüber hinaus ändern sich oberhalb der Rekristallisationstemperatur verstärkt die Korngrenzen aufgrund der diffundierenden Atome. Die Korngrenzen beginnen zu wandern und die Körner verschieben sich. Dieses Korngrenzengleiten trägt ebenfalls zur allmählichen Verformung des Gefüges unter Last bei. Besonders ausgeprägt ist das Korngrenzengleiten bei Gefügen mit vielen Korngrenzen, d.h. bei feinkörnigen Gefügestrukturen. Durch ein grobkörniges Gefüge kann das Korngrenzengleiten hingegen verringert werden.

All die oben genannten Prozesse wie Versetzungsgleiten und Korngrenzengleiten sind diffusionsgesteuert und nehmen somit immer einen gewissen zeitlichen Umfang in Anspruch. Aus diesem Grund macht sich der damit verbundene irreversible Verformungsprozess (Kriechen) erst über einen längeren Zeitraum bemerkbar.

Grundsätzlich kann unterhalb der Rekristallisationstemperatur ein Kriechen durch Kaltverfestigung wieder zum Stillstand kommen. Dabei zeigen feinkörnige Gefügestrukturen aufgrund der Korngrenzenverfestigung bessere Festigkeitswerte als grobkörnige Gefüge. Oberhalb der Rekristallisationstemperatur fehlen hingegen Kaltverfestigungseffekte aufgrund der Kornneubildung, sodass ein permanentes Kriechen bis zum Bruch zu verzeichnen ist. Aufgrund des besseren Widerstandes gegen Korngrenzengleiten zeigen dabei grobkörnige Gefüge besser Festigkeitswerte als feinkörnige Werkstoffe. Aus diesem Grund werden für thermisch und mechanisch hochbeanspruchte Turbinenschaufeln korngrenzenfreie Werkstoffe eingesetzt (einkristalline Superlegierungen auf Nickelbasis).

Grobkörnige oder gar korngrenzenfreie Werkstoffe (Einkristalle) eignen sich besonders für Hochtemperaturanwendungen!

Kriechstadien

Kriechkurven liefern wichtige Erkenntnisse über die zeitliche Dynamik des Kriechens, d.h. wie das Kriechen zeitlich voranschreitet. Je nachdem ob der Kriechversuch unterhalb oder oberhalb der Rekristallisationstemperatur durchgeführt wird, kann der Kriechvorgang durch Kaltverfestigung gestoppt werden (Kurve 1) oder er wird zwangsläufig zum Bruch führen (Kurven 2 und 3). Im Allgemeinen können dabei drei Bereiche in den Kriechkurven unterschieden werden.

Der Bereich I wird primäres Kriechen oder Übergangskriechen genannt und ist durch eine allmähliche Abnahme der Kriechgeschwindigkeit gekennzeichnet. Dieser Bereich ist vor allem bei relativ niedrigen Temperaturen sehr ausgeprägt. Ursache der Verlangsamung der Kriechgeschwindigkeit sind Verfestigungseffekte aufgrund des Aufstaus von Versetzungen.

Schließlich wird sich mit fortschreitender Dehnung bzw. Zeit ein dynamisches Gleichgewicht zwischen den Verfestigungsmechanismen durch Versetzungsaufstau und den Entfestigungsmechanismen durch Versetzungsgleiten einstellen. Dieser Bereich II wird auch als sekundäres Kriechen bzw. stationäres Kriechen bezeichnet und ist folglich durch eine konstante Kriechgeschwindigkeit charakterisiert. Dieser Bereich nimmt bei erhöhten Temperaturen einen großen Anteil an der Gesamtlebensdauer der Probe ein und spielt deshalb eine sehr wichtige Rolle.

Mit größer werdender Dehnung bilden sich mit der Zeit Poren im Werkstoff und der Kriechwiderstand nimmt ab. Es kommt in der Folge zu einer beschleunigten Kriechdehnung die Risse im Material zur Folge hat. Dieser Bereich III wird auch als tertiäres Kriechen bezeichnet und ist durch eine deutliche Zunahme der Kriechgeschwindigkeit gekennzeichnet die schließlich im Bruch der Probe endet. Das tertiäre Kriechen umfasst meist nur einen relativ geringen Zeitbereich gemessen an der Gesamtlebensdauer der Probe.