Extensometer

Prüfen unter hohen Temperaturen

In vielen Branchen sind eingebaute Komponenten hohen Temperaturen ausgesetzt. Typische Beispiele dafür sind Turbinen von Flugzeugen und Abgaskrümmer von Fahrzeugmotoren. Wird hier der falsche Werkstoff genutzt, kann eine zyklische thermische Belastung zum Verlust der Festigkeit und schließlich zum Materialversagen führen. Für die Beurteilung der Materialqualität ist daher die Bestimmung der mechanischen Eigenschaften bei hohen Temperaturen eine wichtige Grundlage. Untersucht wird dies mit Hochtemperatur- Warmzug-Prüfmaschinen.

Werkstoffprobe im Hochtemperaturofen

Materialien, die häufig hohen Temperaturen ausgesetzt sind, werden meist aus metallischen Werkstoffen wie ferritische und austenitische Edelstähle oder legiertes Gusseisen gefertigt. Diese sind hierfür aufgrund ihrer ausgewogenen mechanischen und thermischen Eigenschaften oft am besten geeignet. Je nach Art der Legierung kann die Warmfestigkeit dieser Metalle ebenso wie andere mechanische Eigenschaften stark schwanken. Daher müssen die mechanischen Eigenschaften sorgfältig untersucht werden, um zu garantieren, dass sich die einzelnen Materialien für den jeweiligen Einsatz eignen. Hierfür steht eine Vielzahl von Prüfmethoden zur Verfügung. Bei Hochtemperaturversuchen von metallischen und hochwarmfesten Werkstoffen ist das vor allem der Zugversuch, mit dessen Hilfe sich mechanische Eigenschaften wie beispielsweise Festigkeiten unter thermischen Einflüssen ermitteln lassen.

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Die Festigkeit ist eine Werkstoffeigenschaft und beschreibt den mechanischen Widerstand, den ein Material einer plastischen Verformung entgegensetzt. Im Zugversuch werden verschiedene technisch relevante Festigkeitskennwerte bestimmt, wobei die so genannte Zugfestigkeit als eines der wichtigsten Kriterien für die Bestimmung der Materialqualität gilt. Dafür sind spezielle Universalprüfmaschinen mit entsprechender Hochtemperaturtechnik und einer geeigneten Steuerungs- und Auswertesoftware im Einsatz, an denen sich die Zugversuche durchführen lassen. Dies geschieht zum Teil vollautomatisch. In der Forschung finden solche Prüfmaschinen an vielen Instituten der Werkstoffwissenschaft und Werkstofftechnologie ihre Verwendung.

Für den Warmzugversuch wird die zu prüfende Werkstoffprobe zunächst im kalten Zustand in die Prüfmaschine eingespannt und anschließend mit Hilfe eines Hochtemperaturofens auf die erwünschte Temperatur erhitzt. Sobald im Ofen und der Probe eine homogene Temperaturverteilung entstanden ist, wird der Zugversuch gestartet. Hierbei wird die Probe gleichmäßig, stoßfrei und mit einer geringen Geschwindigkeit gedehnt bis eine plastische Deformation einsetzt, die schließlich zum Bruch des Materials führt. Dieser Zeitpunkt ist werkstoffabhängig. Während des Zugversuchs werden die aufgebrachte Kraft und die Längenänderung in der Messstrecke der Probe kontinuierlich gemessen und alle Messdaten elektronisch ermittelt und protokolliert. Für die Messung der Kraft kommen vorrangig DMS-Sensoren zum Einsatz, die eine automatische Erkennung der Einstell- und Kalibrierparameter ermöglichen. Für die Ermittlung der Längenänderung wurden Hochtemperatur-Extensometer entwickelt, deren berührende Tastspitzen aus hochtemperaturfester Keramik bestehen. Sie werden von außen in den Ofen eingeführt und an der Probe angesetzt.

Ein Bruch zur Probe

Das Verhältnis von Längenänderung zu Ausgangslänge der Messstrecke ergibt die Dehnung. Aus der gemessenen Kraft wird im Verhältnis zur Querschnittsfläche der undeformierten Werkstoffprobe die Spannung (Festigkeit) bestimmt und mit Hilfe einer Prüf- und Auswertesoftware grafisch dargestellt. Das Ergebnis ist ein Spannungs-Dehnungs-Diagramm, das die für jeden Werkstoff charakteristische Kennlinie der mechanischen Beanspruchung des Zugversuchs liefert, und mit dessen Hilfe die spezifischen Materialeigenschaften festgestellt wird. Die Zugfestigkeit wird im höchsten Punkt der Kurve ermittelt und entspricht dem Wert einer Spannung, errechnet aus der maximal erreichten Kraft bezogen auf den ursprünglichen Querschnitt der Zugprobe. Nach Erreichen der Zugfestigkeit setzt im weiteren Verlauf das so genannte ‚Werkstoffversagen‘ ein, der Probenbruch. Für den praktischen Einsatz der Materialien ist dieser Punkt von zentraler Bedeutung; er darf unter Alltagsbedingungen nicht erreicht werden.

Um die Kennwerte von Werkstoffen nach längerem Einwirken einer konstanten Zugkraft bei gleichmäßig hoher Prüftemperatur zu ermitteln, wurden zusätzlich spezielle elektromechanische Hochtemperatur-Zeitstandprüfanlagen entwickelt. Bei diesen Zeitstandversuchen wird eine Werkstoffprobe unter konstant hoher Temperatur statisch belastet und dabei die Dehnung über einen bestimmten Zeitraum gemessen. Einzelne Institute in Deutschland haben Zeitstandversuche im Einsatz, die bereits seit mehreren Jahrzehnten laufen und wertvolle Daten über die Eigenschaften spezieller Materialien liefern. Mit den Zeitstandversuchen wird das langfristige Verhalten der Werkstoffe zuverlässig ermittelt. Das ist von großer Bedeutung, denn bei lang anhaltenden statischen Belastungen unter erhöhten Temperaturen verhalten sich Werkstoffe anders als bei der gleichen Belastung unter Raumtemperatur. Bei Hochtemperatur-Beanspruchungen treten bereits bei Spannungen unterhalb der Streckgrenze ohne Laststeigerung nach einer bestimmten Zeit irreversible plastische Verformungen auf (so genanntes ‚Kriechen‘), die nach genügend langer Belastungszeit zum Bruch der Probe führen können. Hochtemperatur-Warmzug-Prüfmaschinen von Instituten und Unternehmen aus verschiedenen Bereichen verwendet. Ein Beispiel hierfür ist das Gießerei-Insititut an der TU Bergakademie Freiberg. Dieses setzt seit Frühjahr 2008 eine Universalprüfmaschine mit eingebautem Hochtemperaturofen (inspekt 200kN von Hegewald & Peschke GmbH) ein, um das Materialverhalten von metallischen Legierungen bei Temperaturen bis zu 1.200 Grad Celsius zu untersuchen. Die Prüfmaschine dient dem Fachbereich und der Fakultät für Werkstoffwissenschaft und Werkstofftechnologie als Labor- und Ausbildungsanlage. Studierende haben zudem die Möglichkeit, die theoretisch entwickelten Sachverhalte im Zusammenhang mit mechanischen Werkstoffkennwerten und Materialverhalten bei erhöhten Temperaturen praktisch zu überprüfen. Das Gießerei-Institut verwendet die Hochtemperatur-Warmzug-Prüfmaschine aber auch für externe Aufträge aus der Industrie. Hier können z.B. Unternehmen aus dem Fahrzeugbau, der Energietechnik oder dem Maschinenbau die Zugfestigkeit ihrer Materialien überprüfen lassen. Hauptkunden sind vor allem Gießereien, die diese Zugversuche für ihre Qualitätssicherung benötigen. Gleichzeitig kann das Institut nachweisen, dass bei der Entwicklung neuer Gusswerkstoffe die vorgeschriebenen DIN-Normen eingehalten werden. Eine Hochtemperatur-Warmzug-Prüfmaschine kommt z.B. auch bei einem Triebwerkhersteller zum Einsatz. Dieser führt mit Hilfe der inspekt 100kN komplexe Hochtemperatur-Zugversuche und -Druckversuche durch und stellt damit sicher, dass die speziell für Triebwerke und Triebwerkskomponenten entwickelten Materialien den hohen Anforderungen der Branche entsprechen. Die Steuerung der Universalmaschinen erfolgt dabei über eine spezielle Prüfsoftware sowie über eine separate Ofensteuerungssoftware, die außerdem der Dokumentation von Wärmebehandlungsprozessen dient.

Hegewald & Peschke/st

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