Streckgrenze und Zugfestigkeit von Stahl und Aluminium per Eindringprüfung

Die Streckgrenze (YS) ist die Spannung, bei der sich ein Werkstoff plastisch zu verformen beginnt und nach Wegnahme der Belastung nicht in seine Ausgangsform zurückkehrt. Die Zugfestigkeit (UTS) ist die höchste Spannung, die ein Werkstoff vor dem Bruch aushält. Diese beiden Eigenschaften geben die oberen Lastgrenzen an, die auf mechanische Bauteile und Konstruktionen wirken dürfen. Streckgrenze und Zugfestigkeit spielen in der Werkstoffherstellung eine zentrale Rolle, beim Glühen, Schmieden, Walzen und Pressen.

Traditionell werden Streckgrenze und Zugfestigkeit auf einer großen Zugprüfmaschine geprüft, die enorme Kräfte zum Zerreißen der Proben aufbringen muss. Viele Proben eines Werkstoffs korrekt zu bearbeiten, wenn jede nur einmal geprüft werden kann, ist teuer und zeitaufwendig. Kleine Fehler in der Probe führen zu merklicher Streuung der Ergebnisse. Unterschiedliche Bauweisen und Ausrichtungen der Zugprüfmaschinen am Markt verursachen zudem oft erhebliche Unterschiede in der Prüfmechanik und den Ergebnissen.

Das innovative Eindringverfahren von NANOVEA liefert direkt Werte für Streckgrenze und Zugfestigkeit, die mit den Werten konventioneller Zugversuche vergleichbar sind. Diese Messung eröffnet allen Branchen neue Prüfmöglichkeiten. Der einfache Versuchsaufbau verkürzt Probenvorbereitung und Kosten gegenüber der aufwendigen Probenform des Zugversuchs erheblich. Dank kleiner Eindrücke sind mehrere Messungen an einer Probe möglich. Der Einfluss von Fehlern, die beim Bearbeiten von Zugproben entstehen, entfällt. Messungen von Streckgrenze und Zugfestigkeit an kleinen Proben in örtlich begrenzten Bereichen ermöglichen Kartierungen und das Aufspüren örtlicher Fehler in Rohrleitungen oder Fahrzeugstrukturen.

ℹ️ Mehr über Laborprüfungen per Eindringverfahren für Streckgrenze und Zugfestigkeit.

Die Prüfungen von Streckgrenze und Zugfestigkeit wurden auf dem mechanischen Prüfgerät von NANOVEA im Mikroindentations-Modus durchgeführt. Verwendet wurde eine zylindrische flache Diamantspitze mit 200 µm Durchmesser. Die Legierungen SS304 und Al6061 wurden wegen ihres breiten industriellen Einsatzes und ihrer allgemein bekannten Werte für Streckgrenze und Zugfestigkeit gewählt, um das große Potenzial und die Zuverlässigkeit des Eindringverfahrens zu zeigen. Die Proben wurden vor der Prüfung mechanisch auf Hochglanz poliert, damit Oberflächenrauheit oder Fehler die Ergebnisse nicht beeinflussen. Die Prüfbedingungen sind in Tabelle 1 aufgeführt. An jeder Probe wurden mehr als zehn Prüfungen durchgeführt, um die Reproduzierbarkeit der Werte sicherzustellen.

Die Kraft-Weg-Kurven der Legierungsproben SS304 und Al6061 zeigt Abb. 2, mit den Eindrücken des Flachstempels auf den Proben als Einblendung. Die Auswertung der „S“-förmigen Belastungskurve mit speziellen, von NANOVEA entwickelten Algorithmen liefert Streckgrenze und Zugfestigkeit. Die Werte berechnet die Software automatisch; Tabelle 2 fasst sie zusammen. Zum Vergleich sind die im konventionellen Zugversuch ermittelten Werte angegeben.

Die Ergebnisse zeigen für SS304 und Al6061 eine gute Übereinstimmung der Streckgrenzen- und Zugfestigkeitswerte zwischen Eindringprüfung und Zugversuch. Die mit dem mechanischen Prüfgerät von NANOVEA per Eindringprüfung ermittelten Werte zeichnen sich durch hohe Präzision und Reproduzierbarkeit aus. Für die Bewertung von Streckgrenze und Zugfestigkeit ist die Eindringprüfung deutlich zeit- und kostengünstiger als konventionelle Zugversuche. Sie erfordert keine teure und aufwendige Probenbearbeitung, ermöglicht eine schnelle quantitative Kartierung von Streckgrenze und Zugfestigkeit an kleinen Proben und deckt dabei örtliche mechanische Fehler von Bauteilen im Einsatz auf.

In dieser Studie zeigten wir, wie das mechanische Prüfgerät von NANOVEA Streckgrenze & Zugfestigkeit von Blechproben aus Edelstahl und Aluminiumlegierung bestimmt. Der einfache Versuchsaufbau verkürzt Zeit und Kosten der für Zugversuche nötigen Probenvorbereitung erheblich. Dank kleiner Eindrücke sind mehrere Messungen an einer einzigen Probe möglich. Das Verfahren erlaubt YS/UTS-Messungen an kleinen Proben und örtlich begrenzten Bereichen und bietet damit eine Lösung für die YS/UTS-Kartierung und das Aufspüren örtlicher Fehler in Rohrleitungen oder Fahrzeugstrukturen.

Die Nano-, Mikro- und Makromodule des mechanischen Prüfgeräts von NANOVEA umfassen alle Eindring-, Ritz- und Verschleißprüfmodi nach ISO und ASTM und bieten damit das breiteste und anwenderfreundlichste Prüfspektrum in einem einzigen System. Dieses einzigartige Spektrum ist ideal, um sämtliche mechanischen Eigenschaften dünner oder dicker, weicher oder harter Beschichtungen, Schichten und Substrate zu bestimmen, darunter Härte, E-Modul, Bruchzähigkeit, Haftung, Verschleißwiderstand und vieles mehr. Optional stehen zudem ein berührungsloses 3D-Profilometer und ein AFM-Modul für die hochauflösende 3D-Abbildung von Eindrücken, Ritzen und Verschleißspuren sowie für weitere Oberflächenmessungen wie die Rauheit zur Verfügung.