Die Werkstoffprüfung umfasst verschiedene Prüfverfahren, mit denen das Verhalten und die Werkstoffkenngrößen normierter Werkstoffproben (Materialanalytik) oder fertiger Bauteile (Bauteilprüfung) unter mechanischen, thermischen oder chemischen Beanspruchungen ermittelt werden. Ein Werkstoff wird dabei z. B. hinsichtlich seiner Reinheit, Fehlerfreiheit oder Belastbarkeit überprüft.
Die gängigen Prüfverfahren werden aufgeteilt in zerstörende und zerstörungsfreie Werkstoffprüfungen; unter anderem ist die Zerstörungsfreie Prüfung im Bauwesen von besonderer Bedeutung.
Prüfungen zur Abschätzung der Lebensdauer von Produkten und Werkstoffen fallen in das Gebiet der Umweltsimulation.
Geschichte miniatur|hochkant|Geschützprüfung im 15. Jahrhundert Die im Bild dargestellte Geschützprüfung zeigt eine sehr frühe und pragmatische Form der Werkstoffprüfung: Der Werkstoff wird am fertigen Produkt geprüft. Das zu prüfende Geschützrohr wurde über eine auf einem Pfahl liegende Kugel gestülpt – hatte das Rohr die Zündung der Pulverladung überstanden, konnte es weiter verwendet werden. In diesem Test musste eine Masse beschleunigt werden, die wesentlich größer war als die später zu beschleunigende Kugel.
Zerstörende Werkstoffprüfung Bei der zerstörenden Werkstoffprüfung werden gewählte chemische und physikalische Werkstoffkenngröße geprüft und die Probe hierbei zerstört oder (oberflächlich) verändert; das zu prüfende Bauteil kann danach nicht mehr genutzt werden. Die wesentlichen Methoden dieser Prüfungsart sind: VerfahrenAbkürzungDynamikPrinzipInteraktionsraumGrundlageAufschweißbiegeversuchdynamischmechanischvolumenAusziehversuchdynamischmechanischvolumenBerstversuch dynamischmechanischvolumenzur Festigkeitsprüfung von Hochdruckbehältern, -kesseln und -rohrleitungenBiegeversuch und Faltversuch von BlechendynamischmechanischvolumenBlaubruchversuch dynamischthermisch, mechanisch, optischvolumenzur Prüfung von Stählen auf makroskopische, nichtmetallische EinschlüsseBulgeversuchdynamischmechanischvolumenDauerschwingversuch nach WöhlerdynamischmechanischvolumenKerbschlagbiegeversuch nach Charpy, Izod und SchlagzugdynamischmechanischvolumenScherversuchquasistatisch, dynamischmechanischvolumenSplit-Hopkinson Druckstab dynamischmechanischvolumenzur Prüfung hoher UmformgeschwindigkeitenTiefungsversuch nach ErichsendynamischmechanischvolumenTorsionsversuchdynamischmechanischvolumenZeitstandversuchquasistatisch, dynamischmechanisch, thermischvolumenZugversuchquasistatisch, dynamischmechanischvolumenDruckversuchquasistatisch, dynamischmechanischvolumenThermische AnalysedynamischthermischvolumenBrennprobedynamischthermischvolumenDifferenz-ThermoanalysedynamischthermischvolumenStirnabschreckversuchdynamischthermischvolumenThermogravimetrische AnalyseTGAdynamischthermischvolumenChromatographiechemischvolumenGaschromatografieDGAchemischvolumenTitrationchemischvolumenKesternichtestchemischoberflächeSalzsprühtestchemischoberflächeASTM B117, DIN EN ISO 9227Nachweisreaktionen der StrukturaufklärungchemischvolumenMetallografiestatischoptisch, chemischoberflächeMassenspektrometrieMSdynamischphysikalischoberfläche
Bedingt zerstörungsfreie Werkstoffprüfung Damit ein Bauteil bedingt zerstörungsfrei geprüft werden kann, muss es eine bestimmte Mindestgröße und dafür vorgesehene Oberflächen aufweisen. Soll das Innere eines Bauteils geprüft werden, so muss der zu prüfende Bereich erst ausgefräst werden, was nur mit Zerstörung des Bauteils einhergehen kann. Mechanisch: Bohrwiderstandsmessung Härteprüfung z. B. nach Vickers, Brinell, Rockwell, Shore, Knoop Physikalisch Neutronenstreuung
Zerstörungsfreie Werkstoffprüfung 200px|mini|Tragbarer Röntgen-Apparat für Werkstoffprüfung
Bei der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung, kurz ZfP (EN 1330, engl. /, kurz NDT bzw. NDI) wird die Qualität eines Werkstücks getestet, ohne das Material selbst zu beschädigen. Hierzu werden verschiedene physikalische Effekte ausgenutzt, die man in zwei Gruppen einteilt: Defektoskopie und Qualimetrie. Die dynamischen Prüfverfahren basieren auf der Reflexion von elastischen oder elektromagnetischen Wellen an einer Grenzfläche, die über den akustischen, bzw. den dielektrischen Impedanzkontrast definiert werden.
Unter den ersten zerstörungsfreien Werkstoffprüfungen waren wohl die Bestimmung der Dichte durch die Verdrängungsmethode nach Archimedes und die Sichtprüfung, d. h. das Betrachten eines Bauteiles auf äußerlich erkennbare Mängel.Blumenauer, Werkstoffprüfung, 6. Auflage, S. 306 Am häufigsten werden aber darunter Prüfungen auf Bauteilfehler verstanden.
Die zerstörungsfreien Prüfverfahren lassen sich nach verschiedenen Gesichtspunkten sortieren. Die folgende Tabelle gibt einen Überblick über die gebräuchlichsten Verfahren im Maschinenbau, in der Luft- und Raumfahrttechnik und im Bauwesen. Es sind die gebräuchlichen Abkürzungen, bzw. die Abkürzungen nach ISO 9712ISO 9712:2012. Zerstörungsfreie Prüfung – Qualifizierung und Zertifizierung von Personal der zerstörungsfreien Prüfung. und EN 4179EN 4179:2009. Luft- und Raumfahrt – Qualifikation und Zulassung des Personals für zerstörungsfreie Prüfungen. angegeben. Die Dynamik gibt den Charakter der Messung an, wobei „statisch“ i. d. R. die Messung eines statischen elektrischen oder magnetischen Felds bedeutet, „dynamisch“ die Messung einer Wellenamplitude. Unter Prinzip ist das physikalische Messprinzip zu verstehen (mechanisch, elektrisch, magnetisch, thermisch, optisch, chemisch). Der Interaktionsraum mit dem Untersuchungsobjekt und die allgemeine normative Grundlage sind in den entsprechenden Spalten angegeben.
Verfahren Abkürzung Dynamik Prinzip Interaktionsraum Grundlage Akustische Resonanzanalyse ART dynamisch mechanisch Volumen DGZfP Richtlinie US06 Bewehrungsortung (induktiv) statisch magnetisch Volumen DGZfP Merkblatt B02 Bewehrungsortung (kapazitiv) statisch elektrisch Volumen DGZfP Merkblatt B02 Bodenradar GPR dynamisch elektromagnetisch Volumen DGZfP Merkblatt B10 Dehnungsmessstreifen-Prüfung ST dynamisch mechanisch Oberfläche Durchstrahlungsprüfung RT dynamisch elektromagnetisch Volumen EN 444EN 444:1994. Zerstörungsfreie Prüfung – Durchstrahlungsverfahren – Computertomografie, EN 13068EN 13068-1:1999. Zerstörungsfreie Prüfung – Radioskopische Prüfung., EN 16016EN 16016-1:2011. Zerstörungsfreie Prüfung; Grundlagen für die Durchstrahlungsprüfung von metallischen Werkstoffen mit Röntgen- und Gammastrahlen Feuchtemessung (kapazitiv) statisch elektrisch Oberfläche EN 13183-3EN 13183-3:2005. Feuchtegehalt eines Stückes Schnittholz – Teil 3: Schätzung durch kapazitives Messverfahren. Feuchtemessung (resistiv) statisch elektrisch Oberfläche EN 13183-2EN 13183-2:2002. Feuchtegehalt eines Stückes Schnittholz – Teil 2: Schätzung durch elektrisches Widerstands-Messverfahren. Impakt-Echo Verfahren IE dynamisch mechanisch Volumen DGZfP Merkblatt B11 Potentialfeldmessung statisch elektrochemisch Volumen DGZfP Merkblatt B03 Rückprallhammer dynamisch mechanisch Oberfläche EN 12504-2EN 12504-2:2001. Prüfung von Beton in Bauwerken
- Teil 2: Zerstörungsfreie Prüfung; Bestimmung der Rückprallzahl. Dichtheitsprüfung LT chemisch System EN 1779EN 1779:1999. Zerstörungsfreie Prüfung – Dichtheitsprüfung – Kriterien zur Auswahl von Prüfmethoden und -verfahren., EN 13184EN 13184:2001. Zerstörungsfreie Prüfung – Dichtheitsprüfung – Druckänderungsverfahren., EN 13185EN 13185:2001. Zerstörungsfreie Prüfung – Dichtheitsprüfung – Prüfgasverfahren., EN 1593EN 1593:1999. Zerstörungsfreie Prüfung – Dichtheitsprüfung – Blasenprüfverfahren. Eindringprüfung PT mechanisch Oberfläche ISO 3452DIN EN ISO 3452-1:2014-09. Zerstörungsfreie Prüfung - Eindringprüfung - Teil 1: Allgemeine Grundlagen. Zeitbereichsreflektometrie TDR dynamisch elektromagnetisch Volumen DIN 19745DIN 19745:2006. Bodenbeschaffenheit – Grundlagen für die Bestimmung des Wassergehalts durch Time-Domain-Reflektometry (TDR) und Time-Domain-Transmissometry (TDT). Infrarotthermografie TT dynamisch thermisch Oberfläche DIN 54190DIN 54190. Zerstörungsfreie Prüfung – Thermografische Prüfung., DIN 54192DIN 54192:2012. Zerstörungsfreie Prüfung – Aktive Thermografie., EN 13187EN 13187:1998. Wärmetechnisches Verhalten von Gebäuden – Nachweis von Wärmebrücken in Gebäudehüllen – Infrarot-Verfahren. Leitfähigkeitsprüfung elektrisch, thermisch Volumen materialabhängig magnetinduktive Methode statisch magnetisch Oberfläche ISO 2178ISO 2178:1995. Nichtmagnetische Überzüge auf magnetischen Grundmetallen – Messen der Schichtdicke – Magnetverfahren. Magnetpulverprüfung MT statisch magnetisch Oberfläche ISO 9934ISO 9934. Zerstörungsfreie Prüfung – Magnetpulverprüfung. Mikrowellenprüfung dynamisch elektromagnetisch Volumen Prozesskompensierte Resonanzprüfung PCRT ASTM E2534-10 Reflexionsspektroskopie statisch elektromagnetisch Oberfläche RisslumineszenzverfahrendynamischmechanischOberfläche Röntgenfluoreszenzanalyse statisch elektromagnetisch Oberfläche Schallemissionsanalyse AT dynamisch mechanisch Volumen EN 13554EN 13554:2011. Zerstörungsfreie Prüfung – Schallemissionsprüfung – Allgemeine Grundsätze. Shearografie ST dynamisch optisch Oberfläche Visuelle Inspektion VT optisch Oberfläche EN 13018EN 13018:2001. Zerstörungsfreie Prüfung – Sichtprüfung – Allgemeine Grundlagen., DGZfP Merkblatt B06 Streufeldmessung FT statisch magnetisch Volumen EN 10256EN 10256:2000. Zerstörungsfreie Prüfung von Stahlrohren – Qualifizierung und Kompetenz von Personal der Stufen 1 und 2 für die zerstörungsfreie Prüfung. Ultraschallprüfung UT dynamisch mechanisch Volumen EN 583EN 583. Zerstörungsfreie Prüfung – Ultraschallprüfung., DGZfP Merkblatt B04 Vibrationsprüfung/Schwingungsanalyse VA dynamisch mechanisch System ISO 13373EN 13373. Zustandsüberwachung und -diagnostik von Maschinen – Schwingungs-Zustandsüberwachung., DIN 45669DIN 45669. Messung von Schwingungsimmissionen. Wirbelstromprüfung ET statisch elektrisch Oberfläche ISO 15549ISO 15549:2008. Zerstörungsfreie Prüfung – Wirbelstromprüfung – Allgemeine Grundlagen.
Weitere bekannte Verfahren können als Untergruppen der oben genannten Verfahren klassifiziert werden.
Hauptverfahren Unterverfahren Durchstrahlungsprüfung Computertomographie, Röntgendurchstrahlung, GammadurchstrahlungSichtkontrolleEndoskopie, Mikroskopie, Metallografie
Prüforganisationen
Werkstoffprüfungen werden von unterschiedlichen Einrichtungen vorgenommen. Dazu zählen in Deutschland auf Bundesebene die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung und auf Landesebene die einzelnen Materialprüfanstalten. Zudem bieten verschiedene Prüforganisationen und wissenschaftliche Institute, wie das Fraunhofer-Institut für Zerstörungsfreie Prüfverfahren oder das Österreichische Research Center for Non Destructive Testing, Werkstoffprüfungen als Dienstleistung an. Darüber hinaus gibt es mittelständische privatwirtschaftliche Prüforganisationen.
Die international akkreditierten Firmen sind in Deutschland organisiert in der Fachgesellschaft der akkreditierten Prüfgesellschaften, kurz F-GZP. In Österreich bildet die Österreichische Gesellschaft für zerstörungsfreie Prüfung den Dachverband der zerstörungsfreien Prüfung.
Literatur Gernot Krankenhagen / Horst Laube: Werkstoffprüfung, Von Explosionen, Brüchen und Prüfungen. rororo, 1983, ISBN 3-499-17710-2. Frank Schmidt-Döhl: Materialprüfung im Bauwesen. Fraunhofer irb-Verlag, Stuttgart 2013, ISBN 978-3-8167-8747-1. Eckard Macherauch, Hans-Werner Zoch: Praktikum in Werkstoffkunde. 91 ausführliche Versuche. 2011, ISBN 978-3-8348-0343-6. Wolfgang W. Seidel, Frank Hahn: Werkstofftechnik. Werkstoffe – Eigenschaften – Prüfung – Anwendung. 11. Auflage. Carl Hanser Verlag, München 2018, ISBN 978-3-446-45415-6. Wolfgang Grellmann, Sabine Seidler: Kunststoffprüfung. 3. Auflage. Carl Hanser Verlag, München 2015, ISBN 978-3-446-44350-1.
Weblinks
cen.eu: Europäisches Komitee für Normung, Technisches Komitee 138: Zerstörungsfreie Prüfung dgzfp.de: Deutsche Gesellschaft für Zerstörungsfreie Prüfung e. V.