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Was ist mechanische Prüfung und welche Prüfverfahren gibt’s?

Mechanische Prüfung wird eingesetzt, um die mechanischen Eigenschaften eines Werkstoffs in einer bestimmten Umgebung zu ermitteln.

Unterschiedliche Prüfverfahren können eingesetzt werden, um die Materialeigenschaften zu bestimmen: Ein Zugversuch dient zur Ermittlung der Zugfestigkeit eines Werkstoffs, ein Kerbschlagbiegeprobe (englisch: Charpy test) zur Bestimmung der Zähigkeit eines Werkstoffs, ein Vickers-Härtetest zur Bestimmung der Härte eines Werkstoffs und ein Ermüdungstest mit hoher Zykluszahl zur Bestimmung der Anzahl der Lastzyklen, die ein Werkstoff aushält, bevor er versagt.

Einige mechanische Prüfverfahren können Informationen über mehrere mechanische Eigenschaften gleichzeitig liefern. Bei Zugversuchen werden beispielsweise die Zugfestigkeit eines Materials sowie Daten über die Streckgrenze, den Elastizitätsmodul und sogar über die Zähigkeit oder Sprödigkeit des Materials anhand der Spannungs-Dehnungs-Kurve und der Art und Weise, wie das Material bricht, ermittelt.

Einige mechanische Eigenschaften lassen sich mit verschiedenen Prüfmethoden ermitteln. So kann beispielsweise die Zähigkeit mit einer Kerbschlagbiegeprobe oder einem Izod-Test bestimmt werden, und die Härte kann mit Härteprüfungen nach Vickers, Brinell und Rockwell bewertet werden. Die kleinen Unterschiede zwischen den einzelnen Prüfverfahren ermöglichen es den Ingenieuren, zu entscheiden, welche mechanische Prüfung für ihre Anforderungen am besten geeignet ist.

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Mechanische Prüfungen sind ein wichtiger Bestandteil von Konstruktions- oder Fertigungsprozessen, und Prüfdienste können intern oder von externen Prüflabors durchgeführt werden.

Unabhängig davon, wo sie durchgeführt werden, besteht der Hauptzweck mechanischer Prüfungen darin, die Sicherheit der Endprodukte oder Strukturen zu gewährleisten. Aus diesem Grund sind die Umgebungsbedingungen wichtig, so dass die Prüfungen unter ähnlichen Bedingungen durchgeführt werden sollten, wie sie für das Endprodukt gelten.

Die Anforderungen an die Prüfungen sind in der Regel in den Zeichnungen für die verschiedenen Teile festgelegt, so dass die Verantwortung für die Prüfungen beim Hersteller des jeweiligen Teils liegt.

Mechanische Prüfungen haben nicht nur Auswirkungen auf die Sicherheit, sondern können auch Informationen für eine kosteneffiziente Konstruktion liefern und technologische Innovationen unterstützen. Solche Prüfungen können von Konstrukteuren und Fertigungsteams durchgeführt werden, um Verbesserungen zu validieren und die Qualität eines Teils zu erhöhen.

Mechanische Tests können auch dazu dienen, unerwartete Ausfälle zu vermeiden und als Teil einer Fehleruntersuchung.

TWI

TWI unterstützt seine industriellen Mitglieder weltweit durch kundenpezifische Prüfdienstleistungen sowie durch erstklassige Beratung zur Materialprüfung, zur zerstörungsfreien Prüfung sowie zur Zustands- und Strukturintegritätsüberwachung.

TWI ist eine auf industrieller Mitgliedschaft basierende Organisation. Die Experten von TWI können Ihrem Unternehmen eine Ergänzung zu Ihren eigenen Ressourcen bieten. Unsere Experten haben es sich zur Aufgabe gemacht, der Industrie bei der Verbesserung von Sicherheit, Qualität, Effizienz und Rentabilität in allen Aspekten der Schweiß- und Fügetechnik zu helfen. Die industrielle Mitgliedschaft im TWI erstreckt sich derzeit auf über 600 Unternehmen weltweit und umfasst alle Industriezweige.

Sie können mehr erfahren, indem Sie sich auf Englisch mit uns in Verbindung setzen:

kontakt@twi-deutschland.com

Welche Prüfverfahren gibt es?

Es gibt viele verschiedene Arten von Prüfverfahren, so dass der erste Teil einer jeder Prüfung darin besteht, die am besten geeigneten Prüfmethoden zu ermitteln. Zu den häufig verwendeten Prüfverfahren gehören:

Chemische Analyse

Die chemische Analyse ermöglicht es den Herstellern, die Qualität und die Inhaltsstoffe von Werkstoffen zu ermitteln. Dies ist in der frühen Phase des Produktentwicklungsprozesses von entscheidender Bedeutung, um die Werkstoffe zu überprüfen und Ausfälle im Betrieb zu vermeiden.

Ermüdungsprüfung

Die Ermüdungsprüfung dient zur Bestimmung der Dauerfestigkeit eines Werkstoffs, die in Form einer Dauerfestigkeitskurve seine Fähigkeit zeigt, zyklischen Belastungen über verschiedene Belastungsstufen standzuhalten. Die Ermüdungsprüfung kann auch zeigen, wann ein Material ohne Ermüdungsbeanspruchung leistungsfähig wäre. Die Ermüdungsfestigkeitskurve des Werkstoffs kann dann mit den Konstruktionskriterien eines Teils verglichen werden, um sicherzustellen, dass es für den Zweck geeignet ist. Die Geometrie eines endgültigen Teils kann jedoch die mechanischen Eigenschaften verändern, z. B. durch das Einbringen von Kerben oder Löchern in das Material. In solchen Fällen wird häufig das gesamte fertige Teil einem Ermüdungstest unterzogen. Auf diese Weise erhält man sowohl eine Wöhlerkurve als auch Informationen über die Versagensarten für das Teil, die für Konstruktionsverbesserungen und Wartungsplanung von unschätzbarem Wert sind.

Bruchmechanik-Untersuchung

Die Bruchmechanik liefert Informationen über die Fähigkeit eines Materials, Fehlern zu widerstehen. Mit einer Reihe von dynamischen und statischen Tests kann die Bruchzähigkeit des Risswachstums nach dem Auftreten eines Fehlers ermittelt werden, was Aufschluss darüber gibt, wie lange ein Teil noch leistungsfähig ist, und Informationen für Wartungs- und Reparaturpläne liefert.

Härteprüfung

Nach der Produktion und wenn eine Wärmebehandlung erforderlich ist, ist die Härteprüfung eine schnelle und kostengünstige Prüfoption, die ohne zusätzliche zerstörende Prüfungen durchgeführt werden kann.

Spannungsbruch- und Kriechprüfung

Diese Prüfarten liefern Informationen über die Auswirkungen von Langzeitbelastungen auf Materialien und Produkte.

Zugprobe

Die Zugprobe wird eingesetzt, um sicherzustellen, dass die Materialien die Mindestanforderungen an Festigkeit und Duktilität erfüllen. Die Materiallieferanten stellen diese Informationen oft zur Verfügung, empfehlen aber, zur unabhängigen Bestätigung auch eine Prüfung durch Dritte vorzunehmen.

Zerstörungsfreie Prüfung

Mit der zerstörungsfreien Prüfung (ZfP) können die Eigenschaften eines Werkstücks, einer Komponente, einer Struktur oder eines Systems untersucht werden, ohne das Originalteil zu beschädigen.

Jede dieser Prüfungen hat ihre eigenen spezifischen Techniken und Ausrüstungen, um sie durchzuführen, aber die Ergebnisse können durch den Einsatz von Modellerstellung und Validierung verbessert werden. Die Anwendung der Daten aus der Materialprüfung auf ein Modell ermöglicht eine Finite-Elemente-Analyse (FEA) zur Bestimmung der theoretischen Spannungswerte und -orte. Das FEA-Modell kann dann durch weitere Qualifikationstests validiert werden, um genaue Ergebnisse zu gewährleisten. Durch die Kombination eines FEA-Modells mit den empirischen Daten aus mechanischen Tests können Konstruktionsänderungen vorgenommen werden, ohne dass die zusätzlichen Kosten für mehrere Prototypen und Testwiederholungen anfallen.

Welche Arten von mechanischen Prüfungen gibt es?

Es gibt eine Vielzahl von standardisierten, mechanischen Prüfungen, die zur Bestimmung der verschiedenen mechanischen Eigenschaften von Werkstoffen eingesetzt werden. Diese Prüfungen der Materialeigenschaften sind in der Regel unabhängig von Faktoren wie Bearbeitung oder Geometrie und beziehen sich in der Regel auf das Rohmaterial. Aber auch in diesen Fällen können sich Faktoren wie die Probengröße auf bestimmte Eigenschaften auswirken, z. B. bei Zugversuchen. Aus diesem Grund werden diese Prüfungen oft auch an fertigen Teilen und Komponenten und nicht nur an Grundmaterialien durchgeführt. Die gebräuchlichsten mechanischen Prüfungen lassen sich in Härte-, Zug-, Schlag-, Bruchzähigkeits-, Kriech- und Ermüdungsprüfungen unterteilen:

1. Härteprüfung

Eine Härteprüfung kann u.a. mit folgenden Prüfverfahren durchgeführt werden:

  • Vickers-Härteprüfung (HV, eine häufig eingesetzte Prüfung mit großer Bandbreite)
  • Barcol-Prüfung (wird für Verbundwerkstoffe verwendet)
  • Brinell-Härteprüfung (HB)
  • Knoop-Härteprüfung (HK, Prüfung auf kleinen Flächen)
  • Janka-Härteprüfung (wird für Holz verwendet)
  • Meyer-Härteprüfung
  • Rockwell-Härteprüfung (HR, wird in den USA häufig verwendet)
  • Shore-Durometer-Test (wird für Polymere verwendet)

2. Zugversuch

Liefert die Spannungs-Dehnungskurve für Materialien sowie Eigenschaften wie Streckspannung, Zugspannung, prozentuale Dehnung bis zum Bruch und Elastizitätsmodul.

3. Schlagprüfung

Einschließlich:

  • Izod-Prüfung
  • Kerbschlagbiegeprobe

4. Bruchzähigkeitsuntersuchung

Einschließlich:

  • Linear-elastisch (KIc)
  • K-R-Kurve
  • Elastisch-plastisch (JIc, CTOD)

5. Kriechversuch

Der Kriechversuch bestimmt das mechanische Verhalten von Werkstoffen bei hohen Temperaturen relativ zum Schmelzpunkt

6. Ermüdungsprüfung

Prüfung von Materialien unter zyklischer Belastung, einschließlich:

  • Prüfung des Ermüdungsrisswachstums
  • Lastkontrollierte Prüfung an glatten Proben
  • Dehnungsgesteuerte Prüfung an glatten Proben

Vorteile

Der Hauptvorteil der mechanischen Prüfung besteht darin, dass die Grenzen der Funktionsfähigkeit eines Materials oder Produkts aus Gründen des Gesundheitsschutzes und der Arbeitssicherheit bekannt sind.

Darüber hinaus können mechanische Prüfungen bestätigen, dass Produkte die richtige Integrität haben und korrekt funktionieren, sie können Computermodell-Simulationen validieren und empirische Daten für die Modellerstellung und Produktverbesserung liefern.

Obwohl die mechanische Prüfung eines Produkts teuer erscheinen mag, kann sie die Qualität eines Teils erheblich verbessern und die höheren Kosten, die mit unerwarteten Ausfällen im Betrieb verbunden sind, sowohl in finanzieller als auch in sicherheitstechnischer Hinsicht beseitigen.

Eine gute mechanische Prüfung ermöglicht es Ihnen, Audits zu bestehen, Kosten zu senken, Produkte zu verbessern, Kunden einen Konzeptnachweis zu liefern und gefährliche und kostspielige Ausfälle zu vermeiden.

Betrachten Sie also nicht nur die Vorteile, sondern auch die möglichen Auswirkungen einer unterlassenen mechanischen Prüfung...

Warum sollten Sie in mechanische Prüfungen investieren?

Mechanische Prüfungen können spezielle Geräte und qualifizierte Prüfingenieure erfordern, was bedeuten kann, dass Sie die Dienste einer externen Prüfeinrichtung in Anspruch nehmen müssen. Es mag verlockend sein, diese Kosten zu vermeiden, aber eine unterlassene Investition in mechanische Prüfungen kann schwerwiegende Folgen haben und am Ende weit mehr kosten als die Prüfungen selbst. Einige dieser Folgen sind:

1. Misslungene Audits

Interne und externe Audits und Qualitätsprüfungen können zur Entdeckung von Produktfehlern führen, was Rückrufe und kostspielige Nacharbeiten und Reparaturen zur Folge haben kann. Diese fehlgeschlagenen Audits können die Produktauslieferung verzögern und das Vertrauen Ihrer Kunden schädigen.

2. Produktmängel

Produktausfälle sind potenziell die kostspieligsten und verheerendsten Folgen eines Verzichts auf mechanische Prüfungen. Ein katastrophales Versagen kann zum Verlust von Menschenleben, zu massiven finanziellen Auswirkungen und zur rechtlichen Verfolgung führen. Qualitätsprüfungen verhindern diese Folgen und zeigen, wie wichtig die Konformität während des gesamten Produktlebenszyklus ist. Durch das Testen eines Produkts bis zum Versagen können Sie feststellen, wie weit es belastet werden kann, und so die Grenzen für den Einsatz des Produkts festlegen und Erkenntnisse für künftige Verbesserungen gewinnen.

3. Erhöhte Kosten

Abgesehen von den Kosten, die mit fehlgeschlagenen Prüfungen (Neukonzeption, Nacharbeit usw.) und Produktversagen verbunden sind, können mechanische Prüfungen auch die mit der Herstellung selbst verbundenen Kosten senken. Übermäßiges Engineering kann zusätzliche unnötige Kosten für ein Produkt verursachen und die Vorlaufzeiten verlängern.

Häufig gestellte Fragen

Wann sollte eine mechanische Prüfung durchgeführt werden?

Mechanische Prüfungen sollten durchgeführt werden, um die spezifischen mechanischen Eigenschaften eines Materials oder Produkts in einer bestimmten Umgebung zu bestimmen. Für die Bestimmung der verschiedenen Eigenschaften werden unterschiedliche Testarten verwendet, die für alle Materialien und Produkte in Betracht gezogen werden sollten, insbesondere für solche mit potenziell katastrophalen Ausfallmodellen.

Wer sollte über mechanische Prüfungen informiert sein?

Konstrukteure, Hersteller und Ingenieure sollten über mechanische Prüfungen Bescheid wissen, da die mechanischen Eigenschaften in der Konstruktions-, Produktions- und Wartungs- oder Reparaturphase von in Betrieb befindlichen Produkten berücksichtigt werden müssen.

Wie kann man mechanische Prüfungen nachverfolgen?

Mechanische Prüfungen und Zertifizierungen können mit Hilfe von Softwarepaketen verfolgt werden, die in Übereinstimmung mit den Vorschriften und Normen erstellt werden. Die Hersteller verwenden auch Qualitätsdokumente, um die Konformität der mechanischen Prüfungen mit den Normen zu verfolgen und nachzuweisen. Ein Werksprüfzeugnis (Mill Test Certificate, MTC), auch bekannt als Werksprüfbericht (Mill Test Report, MTR), bescheinigt zum Beispiel die chemischen und mechanischen Eigenschaften eines Produkts und seine Übereinstimmung mit den geltenden Normen und technischen Spezifikationen. MTCs entsprechen in der Regel der Norm EN 10204 und beziehen sich auf Stahlerzeugnisse.

Welche Bedeutung hat die mechanische Prüfung?

Mechanische Prüfungen sind ein wesentlicher Bestandteil eines jeden Konstruktions- oder Fertigungsprozesses. Das Hauptziel der mechanischen Prüfung ist die Gewährleistung der Produktsicherheit, sei es durch die Charakterisierung von Materialeigenschaften oder die Validierung von Endprodukten.

Fazit

Die mechanische Prüfung ist ein wesentlicher und standardisierter Bestandteil der Konstruktion und Fertigung, mit dem die mechanischen Eigenschaften eines Materials oder Endprodukts bestimmt werden. Die Prüfungen sollten unter den gegebenen Umgebungsbedingungen durchgeführt werden, die mit dem Einsatz verbunden sind. Die Prüfungen können entweder Materialbewertungen bei bestimmten Geometrien oder auf der Ebene der grundlegenden Materialeigenschaften liefern.

Es gibt eine Vielzahl verschiedener mechanischer Prüfungen, die zur Bestimmung unterschiedlicher Eigenschaften eingesetzt werden, darunter Zug-, Bruch-, Ermüdungs-, Kriech-, Schlag- und Härte-Prüfungen.

Auf diese Weise können Ingenieure die für ihre Bedürfnisse am besten geeignete mechanische Prüfung auswählen, wobei einige Prüfungen mehrere Arten von Informationen über ein Material liefern.

Mechanische Prüfungen werden durchgeführt, um die Sicherheit unter statischer und dynamischer Belastung zu gewährleisten, die Konformität nachzuweisen, die Kosten zu senken und Produktverbesserungen vorzunehmen.

Für weitere Informationen senden Sie bitte eine englischsprachige E-Mail an:

kontakt@twi-deutschland.com