Prüfung von Grobblechen

Grobbleche aus Stahl werden in Großkonstruktionen wie Großbrücken, Großbauten, im Schiffsbau, bei Offshore Bauten wie Bohrplattformen und Windräder, aber auch für schweres Gerät wie Krane und Bagger eingesetzt. Grobbleche sind darüber hinaus auch Halbzeuge für Großrohre, die Öl oder Gas über weite Strecken transportieren.
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In vielen Anwendungsbereichen ist die Einhaltung von Kennwerten oder Spezifikationsgrenzen für die Sicherheit in der langjährigen Anwendung gefordert. Je nach Verwendungszweck des Grobbleches werden mit unterschiedlichen Prüfverfahren die relevanten und notwendigen Kennwerte ermittelt. Die für dieses Segment aufgeführten Prüfverfahren sind für Grobbleche häufig angewandte Verfahren. In speziellen Anwendungen oder Verwendungen können weitere, hier nicht genannte, Prüfverfahren notwendig werden, um einen sicheren und dauerhaften Betrieb zu gewährleisten.

Grobbleche aus Stahl sind bis zu ca. vier Meter breite und mindestens drei Millimeter bis über 250 Millimeter dicke Bleche mit einer Länge von bis zu zwanzig Metern. Die Herstellung erfolgt durch reversierendes thermomechanisches Walzen von Brammen. 

Zugversuche

Zugversuche an Grobblechen werden hauptsächlich nach den international anerkannten und sehr verbreiteten Normen ISO 6892-1 und ASTM E 8 durchgeführt. Die Norm ISO 6892-1 ist gleichzeitig und wortgleich auch eine europäische Norm (EN ISO 6892-1) und damit auch in den Nationen der Europäischen Union gültig. (z. B. in Deutschland als DIN EN ISO 6892-1). Zugproben für diesen Zugversuch werden den Grobblechen so entnommen, dass die Blechdicke als Probendicke nach Möglichkeit erhalten bleibt. Die Zugproben haben entsprechend einen großen Querschnitt und erfordern meistens Materialprüfmaschinen in höheren Lastbereichen bzw. im Großlastbereich. Die parallele Länge oder der sich unter Prüfkraft verformende Teil der Probe wird durch Fräsen hergestellt. Die unbearbeitete Dicke und das schonende Fräsen und Schlichten der Probenbreite sorgen für ein durch die Probenvorbereitung sehr wenig verändertes Probenmaterial und somit wenig beeinflusste Werkstoffkennwerte. 

Breites Spektrum an Prüflösungen

Zwick bietet für die Ermittlung der Werkstoffkennwerte aus dem Zugversuch ein breites Spektrum von serienmäßigen und auch kundenspezifischen Prüfsystemen mit Kapazitäten bis 2.500 kN. Mit diesen Prüfsystemen können die Werkstoffkennwerte normgerecht und mit hoher Genauigkeit ermittelt werden. Die parallel schließenden, hydraulischen Probenhalter aus dem Hause Zwick sorgen nachhaltig für perfekte Klemmung und Führung der Proben während des gesamten Versuches. Rutschen der Probe in den hydraulischen Probenhaltern kann in allen Fällen vermieden werden. 

Normgerechte Dehnungsmessung

Die normgerechte Dehnungsmessung erfolgt in den meisten Fällen mit automatischen taktilen oder optischen (berührungslosen) Längenänderungsaufnehmern. Die klassische und über viele Jahre bewährte Lösung für einen Längenänderungsaufnehmer zur Prüfung von Grobblechproben ist der makroXtens aus dem Hause Zwick. Der makroXtens verbindet aufgrund seiner mechanischen Konstruktion hohe Auflösung und hohe Genauigkeit mit sehr hoher Robustheit, selbst in rauer Umgebung. Aufgrund der sehr robusten mechanischen Konstruktion kann die Dehnungsmessung dauerhaft bis zum Bruch der Probe erfolgen. Damit ist die Bestimmung der Bruchdehnung automatisch möglich, ohne mühsames Anreißen der Probe und manuelles Vermessen nach Zusammenlegen der Probenreste. 

Dehnungsmessung bis zum Bruch

Die innovative Lösung zur Dehnungsmessung bis zum Bruch der Probe ist der laserXtens. Auch der laserXtens erfüllt mit Bravour die Normanforderungen (ISO 6892-1, ASTM E 8 sowie ISO 9513 und ASTM E 83) für Grobblechproben. Der laserXtens benötigt keine Markierungen auf der Probe; aufgrund des Messprinzips kann der laserXtens das durch das Laserlicht selbst erzeugte Muster auf der Oberfläche als Markierungen nutzen. Die optische Auswertung dieser „Selbstmarkierung“ erfolgt auf eine Weise, dass selbst Zunder und das gelegentliche Abplatzen von Zunder die „Selbstmarkierung“ nicht stört. 
Die ISO 6892-1 sowie die ASTM E 8 erlauben seit dem Jahre 2009, die Prüfgeschwindigkeit über die Dehngeschwindigkeit (auch als Dehnrate bezeichnet) automatisch zu steuern und zu regeln. Die in den Normen für die Dehngeschwindigkeitsregelung (insbesondere die der „closed loop“ Dehngeschwindigkeitsregelung) geforderten Toleranzen können mit beiden Längenänderungsaufnehmern makroXtens und laserXtens sehr gut erfüllt werden. 

Härteprüfung

Härteprüfungen an Grobblechen werden unter verschiedenen Aspekten durchgeführt. Je nach Fragestellung kommen Härteprüfverfahren nach ISO 6506-1, (Brinellverfahren), ISO 6507-1 (Vickersverfahren), ISO 6508-1 (Rockwellverfahren) sowie nach ASTM E 10 (Brinellverfahren), ASTM E 384 (Vickers- und Knoopverfahren) und ASTM E 18 (Rockwellverfahren) zum Einsatz. Daneben werden für bestimmte Anwendungsbereiche weitere Verfahren oder Vorschriften angewandt (z. B. für Anwendungsbereiche in der Luft- und Raumfahrt die europäische Norm EN 2002-7); für den großflächigen und zerstörungsfreien Einsatz werden auch sogenannte QEM Verfahren (z. B. das 3MA Verfahren) genutzt, beschrieben in der VDI-Richtlinie VDI/VDE 2616-1 (Härteprüfung an metallischen Werkstoffen). 

Überprüfung und Sicherstellung der mittleren globalen Härte 

Ein Aspekt der Härteprüfung ist die Überprüfung und Sicherstellung der mittleren globalen Härte der Bleche nach dem Walzen. Das Walzen ist ein thermo-mechanischer Prozess, mit dem neben der Blechdickeneinstellung auch mechanische Eigenschaften bestimmt werden. Für diese Härteprüfung werden Härteprüfverfahren eingesetzt, die mit höheren Kräften arbeiten, um über das bisweilen grobe Gefüge zu mitteln. Vorzugsweise werden also Brinellverfahren oder Rockwellverfahren eingesetzt. Bei Grobblechen werden nicht selten portable Härteprüfgeräte eingesetzt, die vor Ort am Originalteil angewandt werden können. Bei der Verwendung von stationären Härteprüfmaschinen werden den Grobblechen Coupons entnommen. Diese dienen entweder selbst als Prüflinge oder aber aus den Coupons werden für die Härteprüfung kleinere Proben entnommen und ggf. weiter für eine Härteprüfung vorbereitet. 

Überprüfung des Gefüges mit Härteprüfungen an Gefügebestandteilen

Ein weiterer Aspekt der Härteprüfung ist die Überprüfung des Gefüges mit Härteprüfungen an Gefügebestandteilen. Wegen der geringen Größe der Gefügebestandteile kommen hier Härteprüfmaschinen mit kleinen bis sehr kleinen Kräften zum Einsatz, in der Regel stationäre Mikrohärteprüfgeräte, deren Eindruckgrößen und –tiefen den Abmessungen der Gefügebestandteile über die Eindringkräfte angepasst werden können. 
Das Zwick Produktportfolio stellt für alle Verfahren Härteprüfmaschinen und –geräte zur Verfügung. Die Zwick Härteprüfmaschinen und –geräte erfüllen die gängigen internationalen Normen und können auch nach den entsprechenden internationalen Normen kalibriert werden. Zwick ist für die Kalibrierung von Härteprüfmaschinen als Kalibrierlabor durch die DAkkS akkreditiert.
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Kerbschlagbiegeversuch

Für Anwendungen im Pipelinebau, im Schiffsbau, ist die Kerbschlagzähigkeit der Werkstoffe eine wichtige Kenngröße. Sie kann mit Pendelschlagwerken an Charpy Proben bestimmt werden. Das Prüfverfahren ist in der internationalen Norm ISO 148-1 und in der ASTM E 23 beschrieben und festgelegt. Die ISO Norm ist wortgleich auch eine europäische Norm (EN ISO 148-1).

Beim Kerbschlagbiegeversuch werden die gekerbten Normproben von Hand, mit einfachen Zuführhilfen oder auch mit automatischen Roboter-Systemen eingelegt und mit Energien von bis zu 750 J geschlagen. Die Versuche werden bei Raumtemperatur, aber auch bei tiefen Temperaturen durchgeführt, um unter anderem die Übergangstemperatur von Hochlage zur Tieflage bei niedrigen Temperaturen zu bestimmen. Für die richtige Temperierung der Proben bietet Zwick entsprechende Temperierbäder bis -70 °C oder Temperiervorrichtungen bis -180 °C an.

Die Maschinenrichtlinie stellt hohe Sicherheitsanforderungen an den Betrieb eines Pendelschlagwerkes. Mit einem Schutzgehäuse und ausgefeilter Sicherheitstechnik erfüllt Zwick alle Anforderungen der europäischen Sicherheitsvorschriften.
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Risszähigkeitsprüfung

Die Bruchzähigkeit KIc ist ein wichtiger Kennwert für metallische Werkstoffe in sicherheitsrelevanten Anwendungen wie Flugzeugbau, Kraftwerksbau, aber auch Automobilbau. Die Bestimmung der Bruchzähigkeit erfolgt mit einer Probe, in der künstlich ein Riss eingebracht wurde. Die Einbringung des Risses erfolgt in der Regel durch Kerbung der Probe mit anschließendem Anschwingen der Probe bis eine bestimmte Risslänge erreicht wird. Die Probe wird dann bis zum Bruch quasi statisch belastet. Aus der Kraft-Verformungskurve und der Risslänge lässt sich die Bruchzähigkeit KIc bestimmen. Die Norm ASTM E 399 gibt hier vor, wie der Versuch durchzuführen ist. Andere relevante Normen sind ASTM E 813, E 1152 und E 1290.

 Zweistufige Versuch zur KIc Bestimmung

Der zweistufige Versuch zur KIc Bestimmung kann sehr effizient auf Zwick Hochfrequenzpulsatoren (Vibrophore) und anschließend auf Zwick Material-Prüfmaschinen durchgeführt werden. Die Rissbildung in der Probe wird durch die mechanisch erstellte Kerbe und dann durch eine zyklische Belastung hervorgerufen. Das sogenannte Anschwingen zur Erzeugung eines definierten Risses erfolgt aufgrund der hohen erreichbaren Frequenz der Hochfrequenzpulsatoren (Vibrophore) sehr schnell und wegen der hohen Empfindlichkeit der Resonanzfrequenz gegenüber Rissbildung sehr reproduzierbar.

Kompaktprobe (CT-Probe)

Die am häufigsten verwendete Probengeometrie wird als Kompaktprobe oder CT-Probe (engl.: Compact Tension) bezeichnet. Die Last wird dabei über Stifte in den Bohrungen aufgebracht. Dadurch erhält man eine gemischte Zug- und Biegebelastung.

SENB-Proben

Neben den CT-Proben werden auch reine Biegeproben, sogenannte SENB-Proben, eingesetzt. Während der Belastungszustand bei der Biegeprobe einfacher ist als bei der CT-Probe, ist das benötigte Probenvolumen deutlich größer. In den Bildern ist dies gut veranschaulicht.

Roboter-Prüfsysteme

Die sichere und präzise Handhabung von schweren Proben beim Zugversuch stellt hohe Anforderungen an die Bedienung. Zwick unterstützt mit automatischen Roboter-Prüfsystemen die Umsetzung dieser Anforderungen: Entlastung der Bediener, Minimierung der Bedienereinflüsse und Erhöhung der Betriebssicherheit.

Das Automatisierungskonzept von Zwick sieht vor, dass die zu prüfenden Proben manuell in Magazine sortiert werden. Ab diesem Zeitpunkt - Einlagerung der Proben - läuft der Zugversuch automatisch ab, bis hin zur Sortierung der Probenreste für eine gegebenenfalls notwendige nachträgliche Inspektion.

In diesen vollautomatisierten Ablauf können je nach Anforderung weitere Messgeräte und Prüfgeräte zusätzlich zu den Zugprüfmaschinen integriert werden, insbesondere das Querschnittmessgerät von Zwick mit vier unabhängigen, automatisch anlegenden Messtastern zur präzisen und normkonformen Querschnittsflächenbestimmung.
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