Stahl ist ein unverzichtbares Material und wird in unterschiedlichsten Anwendungen eingesetzt. Es ist notwendig, die chemische Zusammensetzung und die mechanischen Eigenschaften von Stahl zu bewerten, bevor die richtige Güteklasse ausgewählt wird.
Dieser Artikel vergleicht und erläutert gängige Prüfverfahren für Stahlmaterialien und unterstützt bei der Interpretation der Prüfergebnisse.
Es gibt über 3500 verschiedene Stahlgüten, weshalb Ingenieure auf präzise Materialprüfungen angewiesen sind, um das passende Material für jedes spezifische Projekt auszuwählen. Die chemische Zusammensetzung von Stahl gibt Aufschluss über die Materialeigenschaften, doch zur Bestätigung von Härte, Festigkeit und Qualität des Endprodukts sind Prüfungen unerlässlich.
Vor der Betrachtung üblicher Materialprüfungen ist es wichtig, einige Fachbegriffe zu verstehen.
Eine Probe – im Englischen „Coupon“ – ist ein Prüfkörper, der entweder aus einer Haupttafel herausgeschnitten oder im selben Schmiedeprozess hergestellt wird. Sie wird so entnommen oder gefertigt, dass sie repräsentativ für die Haupttafel ist und für Tests verwendet werden kann.
Man unterscheidet zwei gängige Probenarten: Querprobe (transversale Probe) und Längsprobe (longitudinale Probe). Eine Querprobe (TCVN) wird quer zur Walzrichtung der Platte entnommen, während eine Längsprobe (LCVN) in Walzrichtung geschnitten wird.
LCVN-Proben weisen höhere Streckgrenzen und Zugfestigkeiten auf als TCVN-Proben, da sie entlang der Kornrichtung des Stahls verlaufen. Bauingenieure berücksichtigen bei der Materialauswahl oft die Ergebnisse beider Probentypen.
Eine Laminierung ist ein Fehler oder eine Unregelmäßigkeit in einem Stahlmaterial (oder einer anderen Metalllegierung), der die strukturelle Leistungsfähigkeit beeinträchtigen kann. Laminierungen entstehen durch verschiedene Ursachen, darunter Fremdstoffe und eingeschlossene Gase während des Walzprozesses oder durch Falten und Schichten im Material.
Stahl wird in einen Block gegossen (Ingot) und während der Produktion auf die gewünschte Größe und Dicke gewalzt. Ist ein Fehler oder Fremdmaterial im Ingot vorhanden, verteilt sich dieser mit dem Walzen im Material.
Einige Stahlgüten erlauben bis zu einem gewissen Grad Laminierungen, solange das Risiko eines Materialversagens nicht zu groß wird.
Ein Werkszeugnis (MTR) ist ein Dokument, das die Materialzusammensetzung, Herkunft und Prüfergebnisse ausweist. Es handelt sich um einen Qualitätsnachweis, der Ingenieuren die genaue Zusammensetzung und Leistungsfähigkeit des Materials aufzeigt.
Meist wird zu jedem Stahlkauf ein MTR mitgeliefert, sollte dies nicht der Fall sein, kann es nachträglich angefordert werden.
MTRs müssen Festigkeitsprüfungen und chemische Analysen enthalten, können aber auch Werte zu Zähigkeit, Qualität und Härte ausweisen.
Die Bestimmung der Streckgrenze, Zugfestigkeit und der prozentualen Dehnung erfolgt in einer der wichtigsten und gängigsten Prüfungen. Sie zeigt, welche maximale Belastung das Material vor dem Versagen aufnehmen kann.
Die Streckgrenze ist der Punkt, an dem sich die Form des Materials unter Krafteinwirkung dauerhaft verändert. Bei einem Bücherregal wäre dies erreicht, wenn das Gewicht der Bücher das Regal dauerhaft durchbiegt – auch nachdem die Bücher entfernt wurden.
Die Zugfestigkeit ist die Kraft, bei der das Material bricht oder versagt. Im Regalbeispiel entspricht dies der Kraft (Buchmasse mal Erdbeschleunigung), bei der das Regal in zwei Stücke zerbricht.
Streckgrenze und Zugfestigkeit werden meist in Pfund pro Quadratzoll (psi) oder in Tausend Pfund pro Quadratzoll (ksi) angegeben.
Die Dehnung gibt an, wie stark sich das Material im Verhältnis zu seiner Ursprungslänge biegen oder strecken lässt. Sie wird als prozentualer Unterschied zwischen dem Punkt der bleibenden Verformung (Streckgrenze) und dem Bruchpunkt (Zugfestigkeit) berechnet.
Die Dehnung dient häufig auch als Indikator für die Duktilität eines Materials. Je höher die Dehnung, desto duktiler ist das Material.
Nachfolgend sind Streckgrenze, Zugfestigkeit und Dehnung für zwei gängige Stahlgüten aufgeführt: A572-50 Hochfester niedriglegierter Baustahl und A36 Baustahl. Die Daten zeigen, dass A572-50 eine höhere Belastung aufnehmen kann als A36, während A36 die größere Duktilität aufweist.
| Festigkeitspunkt | Antwort 36 | Nummer A572-50 |
|---|---|---|
| Streckgrenze (psi) | 36.000 | 50.000 |
| Zugfestigkeit (psi) | 58.000-80.000 | 65.000 |
| Dehnung % (200 mm) | 20% | 18% |
Wie bereits erwähnt, können bei der Stahlherstellung Laminierungen entstehen. Die Ultraschallprüfung (UT) detektiert solche Fehler im Materialinneren mittels hochfrequenter Schallwellen. Es handelt sich um ein zerstörungsfreies Prüfverfahren, das direkt am Material und nicht an einer Probe durchgeführt wird.
Bei der UT sendet eine Sonde eine Schallwelle in das Material. Trifft diese auf eine Grenze (z. B. Luft), wird sie zur Sonde zurückgeworfen. Der Ultraschallwandler wandelt die Schallwellen in elektrische Signale um, die auf dem Prüfgerät abgelesen werden können.
Die Ultraschallprüfung ist äußerst präzise mit Genauigkeiten zwischen +/-0,025 mm und +/-0,001 mm. Sie liefert Ingenieuren wichtige Informationen, die eine sichere und sachgemäße Verwendung des Materials gewährleisten.
Die Fähigkeit eines Materials, innerhalb eines bestimmten Temperaturbereichs Energie bzw. Aufprall aufzunehmen, wird durch den Charpy-V-Kerbschlagbiegeversuch (auch Charpy-Schlagversuch) gemessen. Der Test ist nach Georges Charpy benannt, der die Schlagprüfung standardisierte.
Spröde Materialien können vor dem Bruch weniger Schlagenergie aufnehmen, zudem nimmt die Sprödigkeit bei niedrigen Temperaturen zu. Der Charpy-Test unterstützt Ingenieure bei der Auswahl der richtigen Stahlgüte für Projekte, bei denen das Material niedrigen Temperaturen ausgesetzt ist.
Beim Charpy-Test wird ein kleiner Prüfkörper mit einer V-förmigen Kerbe mittig gegen einen schweren Pendelhammer geschlagen. Der Hammer schlägt auf das Prüfstück (biegt es meist oder bricht es) und die absorbierte Energie wird gemessen.
Die Prüfung kann bei verschiedenen Temperaturen zertifiziert und durchgeführt werden, was im Werkszeugnis dokumentiert ist.
Die Härte beschreibt die Fähigkeit eines Materials, Reibung und Abrieb zu widerstehen. Sie unterscheidet sich von der Festigkeit (Belastbarkeit vor Verformung oder Bruch) und von der Zähigkeit (Widerstandsfähigkeit gegen Bruch unter Krafteinwirkung).
Ein Diamant beispielsweise ist sehr schwer zu verkratzen (sehr hart), aber relativ leicht zu zerschlagen (geringe Zähigkeit).
Die Brinell-Härteprüfung wurde von Johan August Brinell entwickelt und verwendet einen kleinen Stahlkugel-Eindringkörper sowie eine definierte Kraft, um das Material einzudrücken. Die Brinellhärtezahl (BHN) wird aus der Größe des Eindrucks berechnet und ist eine genormte Einheit für Härte.
Stähle mit hoher Abriebfestigkeit besitzen eine BHN von über 300, während weicher A36-Stahl nur eine BHN von 133 aufweist.
Für Anwendungen, bei denen Abriebfestigkeit wichtiger ist als Festigkeit oder Zähigkeit, ist die Härte entscheidend. Beispiele hierfür sind: Gitterroste, Körperschutz, Schaufeln und Förderbänder.
Nicht jede Materialanforderung erfordert alle in diesem Artikel genannten Prüfungen. Das Verständnis der Prüfverfahren und ihrer Aussagekraft hilft Ingenieuren, fundierte Entscheidungen bei der Materialauswahl für ihre Projekte zu treffen.
