Prüfung von Stangen und Stäben

Stangen und Stäbe sind rund oder kantig geformte Langprodukte mit Querschnitten bis zu 240 x 320 mm², die im Walz- und Schmiedebereich vielfältige Anwendungen finden: als Ausgangsprodukt für Walzdrähte und Profile ebenso wie für Schmiedeteile in der Fahrzeugindustrie wie Pleuel, Kurbelwellen und Eisenbahnschienen oder auch Generator- und Turbinenwellen in der Energietechnik; als Endprodukte beim Brückenbau und Schiffsbau ebenso wie im Apparate- und Behälterbau. Entsprechend den Verwendungen sind die Anforderungen an die mechanisch-technologischen Eigenschaften auch vielfältig: von hochfest für Strukturwerkstoffe bis duktil für nachfolgende Umformprozesse.
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Zugversuche

Zugversuche an Stangen und Stäben werden in aller Regel 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). Je nach Erzeugnisform oder wie in Erzeugnisnormen festgelegt, werden dem Produkt Proben entnommen und für die Zugprüfung hergestellt. Dabei können als Proben auch Abschnitte der Produkte direkt für die Prüfung verwendet werden, wenn der Querschnitt des Produkts dies zulässt. Die erforderlichen Zugkräfte erreichen dabei schnell Bereiche von über 2500 kN. Zwick hat kundenspezifische Systeme bis 5000 kN bereits erfolgreich im Einsatz. An die Probenhalter und die Klemmung der Proben werden in solchen Fällen besondere Anforderungen gestellt. Zwick entwickelt hierfür nicht nur neue Probenhalter, sondern auch neue Techniken, damit die Proben nicht aufgrund von Klemmwirkungen frühzeitig versagen.

Normgerechte Dehnungsmessung

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. 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 Stangen und Stäben 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 der Probe

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 Stangen und Stäbe. 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 erfüllen werden.


Härteprüfung

Härteprüfungen an Stangen und Stäbe werden eingesetzt zur Charakterisierung von Gefügen (Mikrohärteprüfung), zur Oberflächenhärtebestimmung und auch zur groben Abschätzung der Festigkeit. Damit werden unterschiedlichste Verfahren mit sehr kleinen und großen Prüfkräften angewandt. Alle klassischen Verfahren nach Brinell (DIN EN ISO 6506-1), Rockwell sowie Vickers (DIN EN ISO 6507-1) und Knoop (DIN EN ISO 4545-1) sind für diese Vorprodukte relevante Härteprüfverfahren. Die relevanten ASTM Standards sind die ASTM E 10 (Brinellverfahren), ASTM E 384 (Vickers- und Knoopverfahren) und ASTM E 18 (Rockwellverfahren). 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).

Weil die Härteprüfung einfach, schnell und zuverlässig ist, wird sie häufig durchgeführt und auch zu anderen Kenngrößen in Relation gesetzt. Bei Langprodukten wird häufig die Härtbarkeit des Materials bestimmt, in dem nach einem Anlass- und Abschreckversuch die Härteverteilung längs eines Stabes ermittelt wird (Jominy-Test; DIN EN ISO 642).
Zwick hat für alle geforderten Verfahren zur Härteprüfung entsprechende Härteprüfmaschinen im Produktportfolio, insbesondere auch für die automatisierte Jominy-Härteprüfung.

Überprüfung und Sicherstellung der mittleren globalen Härte

Ein weiterer Aspekt der Härteprüfung ist die Überprüfung und Sicherstellung der mittleren globalen Härte nach dem Walzen. Das Walzen ist ein thermo-mechanischer Prozess, mit dem neben der Breiten- und Dickeneinstellung 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 Stangen und Stäben kommen nicht selten auch portable Härteprüfgeräte zum Einsatz, die vor Ort am Originalteil angewandt werden können.

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 Anwendungen und 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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Ermüdungsversuche unter Torsionsbelastung

Bei runden Produkten ist das Verhalten unter Torsion von Interesse. Für den statischen Fall bietet Zwick Antriebe, die in Kombination mit Material-Prüfmaschinen Drehmomente in die Probe einbringen und entsprechende Kennwerte ermitteln können. Dabei ist es auch möglich, mehrere Kraftachsen zu überlagern und das Material seiner Verwendung entsprechend zu prüfen. In Fällen der Ermüdungsprüfung unter hoher Drehmomentwechsellast, können mit speziellen Vorrichtungen im Hochfrequenzpulsator (Vibrophore) Frequenzen bis über 200 Hz erreicht werden. Aufgrund der Nutzung von Resonanzbedingungen ist die Prüfung nicht nur schnell, sondern auch kostengünstig durch den sehr geringen Energieverbrauch. Im Zusammenhang mit den Hochfrequenzpulsatoren (Vibrophore) ergeben sich die Vorteile von

  • Kundenspezifischem Vorrichtungsbau
  • Schneller Prüfung
  • Hoher Energieeffizienz
  • Sehr geringer Wartungsbedarf
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