Ausgewählte Prüfmethoden bei Brennteilen

Ausgewählte Prüfmethodenbei Brennteilen

Qualitech AG: Dr. M. Nef; 19.6.2013

Inhalt

• Qualitech AG

• Qualitätsnachweis an Blechen

• Zugversuch

• Kerbschlagbiegeprüfung

• Ultraschallprüfung

www.qualitech.ch / [email protected] 2

Qualitech AG: Akkreditiertes Prüflabor

• Unabhängige, privat gehaltene Aktiengesellschaft

• Seit über 30 Jahren auf dem Fachgebiet derMaterialprüfung und Qualitätssicherung tätig

• 60 Mitarbeiter an 3 Standorten– Mägenwil (AG) als Hauptsitz

– Altenrhein (SG)

– Biel (BE)

• Über 40 Mitarbeiter qualifiziert nach EN9712 (ehemalsEN473) und ASNT-SNT-TC-1A in diversen Verfahren undStufen; diverse Schweissfachingenieure und Schweiss-fachmänner; weitere Spezialisten rund um das ThemaMaterialprüfung




Akkreditiert = ? versus z.B. „ISO 9001 zertifiziert“

Akkreditierung (lat. accredere, Glauben schenken)

Ein Prüflaboratorium ist akkreditiert, wenn es nachweislich dieAnforderungen der relevanten Norm erfüllt.

Hierzu wird das Labor und deren Tätigkeiten durch eineExpertengruppe einer unabhängigen Akkreditierungsstelle (indiesem Falle der SAS, die wiederum zum SECO gehört), welchedie Norm DIN EN ISO/IEC 17011 erfüllt, begutachtet und durchmeist jährliche Begehungen überwacht.

Vertrauensbildende Massnahme / überwacht durch den Staat

Je nach Einsatz eines Materials und der entsprechenden Normist die Prüfung von einer akkreditierten Stelle vorgeschrieben


Die Qualitech AG ist akkreditiert nach:

• ISO/IEC 17020 als Inspektionsstelle (Typ A) für Inspektionen undAbnahmen an Sicherheitsobjekten und an Druckgeräten; Qualitech AGist notified body mit der CE-Nummer 2395

• ISO/IEC 17024 als Personenzertifizierungsstelle für:• Schweisser• Montagepersonal für Seilendbefestigungen

• ISO/IEC 17025 als Prüfstelle für zerstörungsfreie und zerstörendePrüfungen von Werkstoffen und Bauteilen aus Metall, Keramik,Kunststoff und Drahtseile sowie Schweissverfahren für Druckgeräte

Der Geltungsbereich jeder einzelnen Akkreditierung ist im offiziellenVerzeichnis akkreditierter Prüfstellen festgelegt (www.sas.ch)

Spezielle Zulassungen der Qualitech AG:- Prüfung von Flugzeugteilen- Prüfung von Seilen bei Transportbahnen (BAV-Zuslassung)



• Volumenprüfungen (innere Beschaffenheit): Durchstrahlungsprüfung Ultraschallprüfung

• Oberflächenrissprüfungen: Wirbelstromprüfung Magnetpulverprüfung Farbeindringprüfung

• Mechanische und optische Eigenschaften: Härtemessung Rauheitsmessung Zugfestigkeit / Zugprobe Zähigkeit / Kerbschlagprobe Korrosionsbeständigkeit

• Chemische Analyse / Verwechslungsprüfung (PMI/OES/ET)

• Metallographische Prüfung wie z.B. Mikro- und Makroschliff

• Aufwertung auf 3.1/3.2

• Abnahmen und Inspektionen weltweit

• EN1090 – Beratung und Zertifizierung zusammen mit der SLV München

Leistungsspektrum der Qualitech AG (nicht vollständige Aufzählung)

Qualitech AG: Leistungsspektrum

Inhalt

• Qualitech AG


• Zugversuch




DIN EN 10025-1: Warmgewalzte Erzeugnisse aus Baustählen.

Teil 1: Allgemeine technische Lieferbedingungen

..

7.3 Mechanische Eigenschaften

7.3.1 Allgemeines

7.3.1.1 Die mechanischen Eigenschaften (Zugfestigkeit, Streckgrenze, Kerbschlagarbeit undDehnung) müssen im Lieferzustand nach 6.3 und unter den Prüfbedingungen nach denAbschnitten 8, 9 und 10 den betreffenden Anforderungen von EN 10025-2 bis EN 10025-6entsprechen.

…

10 Prüfverfahren

10.1 Chemische Analyse

10.2 Mechanische Prüfungen

10.2.1 Zugversuch

10.2.2 Kerbschlagbiegeversuch

10.3 Ultraschallprüfungen

…


Qualitätsnachweis an Blechen

Unter anderem sind Zugversuch, Kerbschlagbiegeversuch und Ultraschall-prüfungen geforderte und genormte Qualitätsnachweise an Blechen

Qualitätsnachweis an BlechenBleche werden von den Stahlwerken mit einem Materialzeugnisgeliefert (EN10204 Zeugnisse Typ 2.1; 3.1 oder 3.2)

Aber in der Praxis:• Falsches/minderwertiges Material in einer Charge (minderwertige

Ausgangsstoffe, Herstellerfehler, Reparaturen, …)

• Materialverwechslung (bereits vor oder bei Anlieferung, beiLagerentnahme, während der Fertigung, …)

• Veränderte Eigenschaften durch Wärmebehandlung oder chemischeProzesse

• Lokale Materialinhomogenitäten (Oxide, Silikate, Sulfide, Fremdteile …)

• Aufwertung von Materialien wird vom Endkunden gefordert


Zug- und Kerbschlagbiegeversuche sowie Ultraschallprüfungen tragendazu bei, die Qualität von Blechen der stürmsfs zu belegen.

Inhalt

• Qualitech AG


• Zugversuch



• Weitere Prüfaufgaben an Blechen


Zugversuch: Grundlagen 1• Funktionsprinzip: ein Stab wird an beiden Enden eingespannt

und auseinandergezogen bis er auseinanderbricht

• Brucharten: Spröd, Duktil, Mischformen


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Sprödbruch: Glas, Stein, Stahl mit sehrhoher Zugfestigkeit, fast alle Stähle beisehr tiefen Temperaturen

Duktiler Bruch: Baustähle (Einschnürungbis zu mehr als 25%; Bruchdehnungebenfalls in der Grössenordnung von 20%;Bitumen; Gummi etc. Stähle, die man gut schmieden undumformen kann

Vollständig duktiler Bruch: Reines Goldz.B. Blattgold

Beim Zugversuch wird die Zugkraft, die Dehnung, die Einschnürungsowie weitere Merkmale der Bruchfläche untersucht.

Zugversuch: Grundlagen 2

• Streckgrenze: Die Streckgrenze ist diejenige Spannung, beiwelcher noch keine plastische Verformung eintritt. Nach derBelastung geht die elastische Verformung vollständig zurück.


Bild: http://www.bs-wiki.de/mediawiki/index.php?title=Streckgrenze

Zugversuch: Aufzeichnung desSpannungs-/Dehnungsverlaufeseines eingespannten Zugstabes,der kontinuierlich mitlangsamem Tempo auseinandergezogen wird.

Die Konstruktion wird (i.d.R.) so ausgelegt,dass die Streckgrenze nicht überschritten wird

Zugversuch: Grundlagen 3

Warum wird nebst der Zugfestigkeit auch die Einschnürungermittelt?

Sicherheit!– Ein duktiler Werkstoff zeigt eine Überlast durch Einschnürung und

plastische Verformung an - ohne sofort zu versagen

– Ein Bauteil aus duktilem Werkstoff zerlegt sich nicht in viele Einzelteile.Darum werden duktile Werkstoffe z.B. bei Bauteilen eingesetzt, dieunter Druck stehen (Pumpen-/ Kompressor-/ Turbinengehäuse,Rohrleitungen, sonstige Druckbehälter)


Sicherheitsrelevante Teile werden meist aus Materialien gebaut,die ein Versagen frühzeitig anzeigen, also duktil sind.

Zugversuch nach DIN EN 10164


Flacherzeugnisse und Profile aus Stahl weisen im Allg. beiBeanspruchung senkrecht zur Oberfläche (in Dickenrichtung)andere Verformungseigenschaften als parallel zur Oberfläche auf.

stürmsfs bestellt bei Qualitech z.B. eine Zugprobe nach DIN EN10164 - Stahlerzeugnisse mit verbesserten Verformungseigen-schaften senkrecht zur Erzeugnisoberfläche

Voraussetzungen:• Blechdicke von mind. 20 mm• wärmebeeinflusster Bereich des Brennschneidens muss

entfernt werden

Die Zugfestigkeit ist richtungsabhängig. Die Brucheinschnürung istein Anhaltspunkt für den Widerstand gegen Terrassenbrüche.

Terrassenbruch: UrsacheWikipedia zu Terrassenbruch

• Als Terrassenbruch wird in der Schweißtechnik ein in Dickenrichtung durch eine geschweißte Stahlplatte verlaufenderKaltriss bezeichnet, der durch Schweißschrumpfspannungen verursacht wird. Der Riss ist typisch terrassenförmig abgetrepptoder liegt lamellenförmig in Walzrichtung

• Gewalzte Platten haben senkrecht zur Walzrichtung, also in Dickenrichtung, eine deutlich geringere Verformbarkeit undZugfestigkeit als in Walzrichtung. Ursache hierfür sind Einschlüsse von Oxiden, Silikaten und Sulfide. Diese ursprünglich beimGuss der Bramme punktförmig im Stahl liegenden Einschlüsse werden infolge des Walzvorgangs abgeflacht. Dies hat zurFolge, dass diese flächig oder zeilenförmig in der Blechplatte liegen. Der Verbund dieser Lamellen untereinander ist gering,was die Festigkeit der Platte in Dickenrichtung deutlich verringert. Dies lässt sich mit einer Analogie zu einem Stapel Papierdarstellen: Während sich einzelne Blätter des Stapel mühelos abheben lassen, ist der Stapel als Ganzes nur schwer zuzerreißen.

• Ursache von Schweißschrumpfspannungen [Bearbeiten]

• Infolge der Abkühlung nach dem Schweißen verringert das Bauteil sein Volumen. Ist die Konstruktion "steif" wird also dieVolumenverringerung durch feste Einspannung verhindert, entstehen Spannungen im Bauteil, die das Bauteil bis an seineFestigkeitsgrenze belasten können. Ursache dieser Schrumpfspannungen ist die Plastifizierung des Bauteils. Mitzunehmender Temperatur verliert der Stahl an Elastizität und Festigkeit. Wird die Wärmeausdehnung behindert, so wird dasBauteil im Bereich der Schweißnaht gestaucht. Bei der verhältnismäßig schnellen Abkühlung nach dem Schweißen hat dasWerkstück dann nicht mehr ausreichend Zeit, diese Verformung rückzuentwickeln. Auch die Volumenverringerung desflüssigen Schweißguts nach der Abkühlung trägt zu den Schrumpfspannungen bei. [4]

• Brucheinschnürung [Bearbeiten]

• Da für die Terrassenbruchneigung das Formänderungsvermögen des Werkstoffes entscheidend ist, wird beim Zugversuchdie Brucheinschnürung in Dickenrichtung gemessen. Die Ermittlung der Festigkeitswerte in Dickenrichtung hat wenigAussagekraft, da sich erst bei sehr geringen Werten der Brucheinschnürung, unterhalb von etwa 20 % eine deutlicheVerringerung der Zugfestigkeit nachweisen lässt. Als Brucheinschnürung wird die Verringerung der Querschnittsfläche biszum Bruch der Probe bezeichnet


Terrassenbruch


Fig. 1. Lamellarer Kaltriss unterhalb derSchweissnaht im Grundmaterial des Bleches

Fig. 2. Draufsicht auf eine Bruchstelle beieinem Terrassenbruch

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Oxide, Silikate oder Sulfide, die beim Auswalzen in die Längegezogen wurden, erleichtern Terrassenbrüche.

Terrassenbruch


Quelle: http://www.mig-welding.co.uk/wrought-iron.htm

Beispiel eines rund 100 Jahre alten Bleches, mit ausgeprägter lamellarerBruchstelle

Zugversuch nach DIN EN 10164


1 cm Durchmesser bei Zugfestigkeit von bspw. 500 N/mm2 Zugkraft bei 1 cm Durchmesser: 78.5 mm2 * 500 N/mm2 = 39’270 N = ca. 4 TonnenLeergewicht VW Golf VII ungefähr 1300 kg

Eine Zugprobe von 1 cm Durchmesser kann mehrere Autos halten

Inhalt

• Qualitech AG


• Zugversuch




Kerbschlagbiegeprüfung: Grundlagen

Schadensfall bei uns im Haus am 22. Mai 2013Ein Mitarbeit liess ein zu prüfendes Metallstück aus ca. 1 m Höhe aufden Boden fallen:


Metall kann splittern wie Glas. Aus obigem Material wollen Siez.B. keine Eisenbahnräder!

www.qualitech.ch / [email protected] 21Quelle: http://www.metallograf.de/start.htm?/werkstoffkartei/werkstoffnamen.htm



DIN EN 148-1 Metallische Werkstoffe –Kerbschlagbiegeversuch nach Charpy

Verfahren wurde bereits 1905 von Herrn Charpy eingeführt

Zweck: Bestimmung der Zähigkeitseigenschaften vonWerkstoffen

Mit einem Pendelschlagwerk wird auf eine gekerbte Probegeschlagen. Die dabei durch das Pendel abgegebeneEnergie wird gemessen und dient als Aussage zur Zähigkeiteines Materials


Kerbschlagbiegeprüfung:Pendelschlagwerk


Zu prüfende Materialprobe

KerbschlaghammerStandardenergie 300 J

Je mehr Energie dieProbe aufgenommenhat (je zäher sie ist),desto kleiner ist derAusschlag des Hammers

Altes, einfaches, mechanisches Messverfahren. Variationen beiHammergewicht, Fallhöhe, Probenform

• Die Charpy-V-Probe hat eine V-förmige Kerbe mit einemKerbwinkel von 45°, einer Kerbtiefe von 2 mm und einemRadius im Kerbgrund von 0,25 mm.

• U-Probe ist die 2-häufigste Form


Kerbschlagbiegeprüfung: Probenform

Je schärfer die Kerbe, desto weniger Energie wird benötigt, umdie Probe zu zerschlagen.

Schlagrichtung mit der Hammerfinne

Kerbschlagbiegeprobestück


Kerbschlagbiegeprobe in der Praxis



Kerbschlagbiegeprüfung: Bruchformen

Gemessen wird die aufgenommene Energie, die lateraleBreitung sowie das makroskopische Bruchbild.


Kerbschlagbiegeprüfung: Bruchformen

Mit sinkender Temperatur wird Stahl spröder.Faktor 10 nicht unüblich!

Charakteristisches Bild für die Temperaturabhängigkeit

Bildquelle: Internet der Hochschule Pforzheim

Kerbschlagbiegeprüfung: Titanic


Bildquelle: Technische Universität Cottbus

Die richtige Werkstoffwahl macht den Unterschied.

Kerbschlagbiegeprüfung: Werkstofftypen


Die richtige Werkstoffwahl macht den Unterschied.

Typ 1: Un- und niedriglegierte Stählemit ferritischer Gefügeausbildung;krz und hexagonale Metalle

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Temperatur

Typ 2: Typisch für Gusseisen mitLamellengraphit sowie gehärtete Stähle

Typ 3: Austenitische Stähle undsonstige Metalle mit kfz-Gitterstrukturwie Kupfer, oder Aluminium

Einflussgrössen auf das Bruchverhalten

• werkstoffbedingte: Werkstoffart, Gitterart,Reinheit, Gefüge (Korngröße)

• bauteilbedingte: Eigenspannungen,Gefügeveränderungen durch Herstellverfahren(Wärmebehandlung, Schmieden, …)


Kerbschlagbiegeprüfung: Werkstoffparameter

Inhalt

• Qualitech AG


• Zugversuch




Ultraschallprüfung an Blechen: Wozu?


Mit Ultraschall werden Lunker frühzeitig entdeckt.


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Gasblasen im Innern sind mit Ultraschall zu detektieren.


http://www.arge-metallguss.de

(qz-online.de)


Mit Ultraschall soll etwas über das Innere des Bleches (Lunker,Blasen, Fremdpartikel, Seigerungen) herausgefunden werden.

Qualitech: Baumannabdruck

• Mit der Ultraschallprüfung an Blechen werden:– Materialtrennungen (ausgewalzte Lunker, Gasblasen) wie auch– Seigerungen (typischerweise sammeln sich die niedrig

schmelzenden Verunreinigungen in der Mitte eines gegossenenBlockes) sowie

– Fremdmaterialeinschlüsse (z.B. Sand, Schlacken, Oxide usw.)detektiert.

• Auch ein Blech wurde zuerst einmal gegossen!

• Beim Auswalzen werden zwar Lunker und Gasblasen i.d.R.«platt gewalzt» - die Materialtrennung aber bleibt!


Ultraschallprüfung: Grundlagen

Die Ultraschallprüfung bei Blechen konzentriert sich aufunerwünschte Phänomene in der Mitte des Bleches.

37www.qualitech.ch / [email protected]


Über die Laufzeit des Ultraschallsignals wird berechnet, woherdas Signal reflektiert wird.


Eine Gasblase oder ein Lunker reflekiert das Ultraschallsignal



Solange eine Materialtrennung vorhanden ist, wird dasUltraschallsignal reflektiert.



Kommt kein (oder wenig) Echo von der Rückwand, so mussetwas dazwischen den Schall ablenken.



Verbleibende Fehlergrösse je nach Rasterwahl.Quadratischer Anstieg der Prüfkosten je nach Rastergrösse.

Ultraschallprüfung: Kosten/Nutzen

Doppelt so enges Raster heisst

4-fachen Weg prüfen

Prüfklasse S0 und S1 (EN10160) werden mit 200 mm-Raster,S2 und S3 mit 100 mm-Raster geprüft

Höhere Prüfanforderung heisst

viel, viel mehr protokollieren

Selbst bei Prüfklasse S3 dürfen pro m2 bis max. 10 Inhomogenitäten bis 50 mm2 enthalten sein!

Es können aber sogar im ungünstigsten Fall Inhomogenitäten bis mehrere 100 mm2 durchdie Rasterprüfung unentdeckt bleiben!

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

Fragen?


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