Werkstoff- und Bauteilprüfung

...hier werden beim Mikrokaltumformen verwendete Werkstoffe und produzierte Bauteile mechanisch geprüft und charakterisiert. Und warum das Ganze?

Man möchte wissen, was für Eigenschaften Werkstoffe und Bauteile haben, was sie aushalten, wann sie versagen und ob sie für bestimmte Anwendungen geeignet sind oder nicht. Hierbei werden verschiedene Werkstoffprüfverfahren angewendet, wie z. B. Metallographie, Härteprüfung, Schwingfestigkeitsprüfung und Zugversuch.

Wichtig hierbei ist, dass wir diese Prüfungen tatsächlich an Ausgangsmaterialien und Bauteilen durchführen, deren Abmessungen kleiner als ein Millimeter sind, häufig zwischen einem hundertstel und einem zehntel Millimeter. Solche Mikro-Proben können nämlich, bei ansonsten gleichem Werkstoff und Zustand, andere Eigenschaften zeigen als „große" Proben, also solche, die Abmessungen von einigen Zentimetern in alle Richtungen haben. Ein Beispiel hierfür wäre der Formsummeneffekt: Ein metallischer Werkstoff liegt normalerweise als Vielkristall vor, d. h. das Gefüge setzt sich aus einer Vielzahl einzelner Körner zusammen, die sich beispielsweise in ihrer Kristallorientierung unterscheiden können und durch Korngrenzen voneinander abgegrenzt sind. Betrachtet man nun zwei stark unterschiedlich große Proben eines Werkstoffs mit gleich großen Körnern, so verfügt die kleinere Probe über einen erheblich größeren Anteil an Körnern, die die Probenoberfläche berühren. Dies hat Konsequenzen für die mechanischen Eigenschaften der kleinen Probe: Setzt man sie z. B. im Zugversuch einer langsam, kontinuierlich zunehmenden mechanischen Spannung, also auf die Querschnittsfläche bezogenen Kraft, aus, so setzt bei der Mikroprobe eine bleibende (plastische) Verformung bei einer kleineren Spannung ein als bei der Makroprobe. Diese als Dehngrenze bezeichnete charakteristische Spannung spielt eine wichtige Rolle bei allen Umformprozessen, wie etwa dem Tiefziehen oder dem Rundkneten. Ursachen für die kleinere Dehngrenze ist zum einen die leichtere Verformbarkeit der Oberflächenkörner, die geringeren Restriktionen unterliegen, als die rundum im Kristall eingebundenen Volumenkörner. Zum anderen findet in der Randzone der Probe ein vermehrter Abbau von Versetzungen statt, deren Vorhandensein sich gewöhnlich festigkeitssteigernd auswirkt.

Generell stellt die Prüfung von Mikroprüflingen wegen deren Größe besondere Ansprüche bei der Handhabung sowie an die verwendeten Prüfapparaturen. Daher wird im Sonderforschungsbereich für Zugprüfungen und Schwingfestigkeitsprüfungen eine spezielle kleine Prüfmaschine verwendet, die es erlaubt, mit großer Genauigkeit kleine Kräfte geregelt auf die Proben wirken zu lassen.