Makroskopische Untersuchung

Herkunft makroskopischer Eigenschaften einer Oberfläche

Die Oberfläche eines Materials ist von seiner mikroskopischen bis hinunter zur atomaren Struktur abhängig. Gleiche Umweltbedingungen oder Herstellungsverfahren können auf verschiedene Materialien die unterschiedlichsten Auswirkungen haben.

Deshalb ist der Effekt, den ein äußerer Einfluss auf einen Werkstoff hat, stets direkt von seiner Zusammensetzung und seiner Herstellung abhängig.

Selbst chemisch identische Werkstoffe können sich, je nach dem wie sie verarbeitet sind, kurz- bis langfristig völlig anders verhalten.

Gussstahl, Walzstahl oder gehärteter Einsatzstahl können aus der gleichen Schmelze stammen. Setzt man sie den gleichen Umweltbedingungen aus, werden sich unterschiedlich entwickeln.

Was kann die makroskopische Untersuchung leisten?

Die makroskopische Untersuchung kann nur die sichtbare und haptische Oberfläche eines Grundwerkstoffs untersuchen.

Dazu sind Hilfsmittel erlaubt, solange sie nicht einen Ausschnitt der Oberfläche optisch vergrößern.

Typische Untersuchungsfelder für die makroskopische Untersuchung sind:

• Maßkontrollen
• Kontrolle von Ebenheit, Rundheit und Winkeligkeit eines Werkstücks
• Allgemeine Aussagen über Rauheiten
• Allgemeine Aussagen über und Rillenbildung
• Feststellung von Schalen, Riefen, Kerben und Löcher
• Schäden durch Korrosion und andere chemische oder physikalische Ursachen (z.B. Bläuung von Stahl unter Temperatur)
• Feststellung von Haarrissen, (z.B Farbeindringtest)
• Feststellung von Schäden durch Bruch, Stoß, und Biegung
• Feststellung von Beulen in glatten Oberflächen

Maß und Geometrie

Das einfache Kontrollieren einer Maßhaltigkeit durch Messschieber, Lineal, Maßband oder Mikrometerschraube wird im Allgemeinen auch der Makro-Untersuchung zugeordnet.

Für Ebenheit, Rundheit und Winkeligkeiten können ebenfalls einfache, manuelle Werkzeuge wie Lehren oder Winkelmesser hinzu gezogen werden.

Rauheiten

Rauheiten können durch Fühlen und Betrachten makroskopisch untersucht werden. Dabei lässt sich die Rauheit einer Oberfläche bereits mit dem bloßen Auge klassifizieren.

Als „Rau“ gilt eine Oberfläche, wenn sie eine Rautiefe von Rz 5 – 8 µm besitzt. Als „Glatt“ gilt sie, wenn die Rautiefe Rz unter 1µm gilt. Per Oberflächenmessung können Rauheiten schnell und einfach kontrolliert und analysiert werden.

Die präziseste Methode, um Oberflächen zu analysieren ist die taktile Messtechnik. Durch hochsensible Taster wird das Bauteil abgefahren, um Abweichungen von der erlaubten Toleranz festzustellen.

Mit dem bloßen Auge lässt sich die exakte Rautiefe nicht bestimmen. Jedoch können allgemeine Aussagen darüber getroffen werden, ob eine Oberfläche „Glatt“ oder „Rau“ ist. Durch Zugrundelegung von empirisch gemessener Daten kann eine grobe Einschätzung der Rautiefe einer Oberfläche gegeben werden.

Oberflächen von Guss- und Schmiedeteilen

Matt, Struktur hat keine Ordnung oder Richtung. Rautiefen ca. 12,5-50 µm

Tiefgezogene Blechteile

Matt, fühlbar glatt, sehr dünnwandige Produkte, meist aus Aluminium oder Kunststoff gefertigt. Rautiefe 0,2 – 6,3 µm

Gewalzte Bleche

Fühlbare Rauheit, unregelmäßige, parallele Linien, in der Breite schwankend. Rautiefe bis 12,5 µm

Zerspante Oberflächen

Glatt bis leicht rau. Parallele oder konzentrische Linien, in der Breite gleich bleibend. Rautiefe bis 25 µm

Geschliffene Oberflächen

Matt bis leicht glänzend, glatt, sichtbare Schleiflinien. Rautiefe bis 3,2 µm

Polierte Oberflächen

Glatt und hochglänzend. Keine sichtbaren Schleiflinien. Rautiefe bis 0,008 µm.

Rillenbildung

Die Rillen können nach Art, Richtung, Tiefe und Ursache durch eine makroskopische Untersuchung quantifiziert werden.

Dabei kann, je nach Erfahrung des Prüfers, eine Aussage darüber getroffen werden, wie sich die Rillen auf die technischen Eigenschaften des Werkstücks auswirken.

Schalen, Kerben und Löcher

Schalen sind meist ablösbare, eingewalzte Schichten in einer Oberfläche. Kerben sind Einwalzungen durch Fremdkörper oder Schäden an der Walze.

Löcher sind ausgerisse Stellen. Diese Schadstellen besonders bei gewalzten Blechen häufig auftretenden Schadstellen sind ein typisches Arbeitsfeld für eine makroskopische Untersuchung.

Neben der empirischen Feststellung dieser Schadstellen sind auch statistische Erhebungen sinnvoll, die Trends in der Entwicklung der Qualität in einer Serienfertigung feststellen können.

Korrosionen und andere äußere Einflüsse

Ein Werkstoff verändert sich, gleichgültig welcher Umgebung er ausgesetzt ist. Die Einflussfaktoren sind

• Hohe Temperaturschankungen
• Säuren oder Basen
• Feuchtigkeit
• Anhaftungen

Kontakt zu anderen Bauteilen (Abschleifungen, Schläge usw.)Eine qualifizierte makroskopische Untersuchung kann hier schnelle und zutreffende Aussagen über den Zustand eines Werkstücks geben und Prognosen über seine weitere Einsatzfähigkeit stellen.

Feststellung von Haarrissen

Ein Haarriss ist zwar mit dem bloßen Auge in der Regel nicht zu erkennen. Er kann jedoch mit einem einfachen Verfahren, ohne dass ein Mikroskop hinzu gezogen werden muss, festgestellt werden.

Das Farbeindringverfahren nutzt die Kapillarwirkung eines Haarrisses aus, um Farbe zunächst einzusaugen.

Beim anschließenden Auftragen mit einem Kontrastmittel läuft die Farbe aus dem Haarriss wieder heraus und zeigt deutlich sichtbar seine Größe und Position an. Seine Tiefe kann mit diesem Verfahren aber nicht festgestellt werden.

Feststellung von mechanischen Schäden

Mechanische Schäden wie Bruch, Stoß oder Biegung hinterlassen typische Marken auf den Oberflächen.

Eine qualifizierte makroskopische Untersuchung kann anhand der Schadstelle eine genaue Aussage darüber treffen, welcher Art Beschädigung vorliegt. Typische Schäden sind:

• Scherbrüche
• Abriss
• Ermüdungsbruch
• Explosionsrisse u.v.m.

Feststellung von Beulen in glatten Oberflächen

Mit dem Streifen-Reflektions-Verfahren können Beulen in lackierten, verchromten oder polierten festgestellt werden. Dazu wird ein gestreiftes Indikator-Blech über die vermutete Beule gehalten.

Das reflektierte Streifenmuster zeigt deutlich den nicht mehr parallelen, sondern gebogenen Verlauf im zu untersuchenden Gegenstand an.

Dieses Verfahren wird bei der Feinbearbeitung von Blechen häufig eingesetzt. Es kann aufwändige Schleifarbeiten und Neubeschichtungen durch umsichtiges Ausbeulen überflüssig machen.

Makroskopische Untersuchung in der zerstörenden Werkstoffprüfung

Die beschriebenen Verfahren sind vorwiegend für die zerstörungsfreie Werkstoffprüfung geeignet. Sie betreffen alle Produkte und deren Oberflächen, die einem Produktionsprozess entnommen und wieder zugefügt werden können.

Die makroskopische Untersuchung kann jedoch auch in die Tiefe gehen. Dazu ist aber in jedem Fall die Zerstörung der Probe notwendig.

Mögliche Untersuchungen sind hierzu:

• Lunkerfeststellung
• Nachweis von Seigerungen
• Analyse von Walzblechen

Lunkerfeststellung

Lunker sind Hohlräume, die beim Schweißen und Gießen entstehen können. Die Lunker können beim normalen Nachbearbeiten, beispielsweise Abdrehen oder Abfräsen einer Oberfläche zum Vorschein kommen.

Sie können aber durch Zersägen oder allmählichem Abschleifen einer Probe auch gezielt detektiert werden. Untersuchungen dieser Art dienen zum Optimieren eines Herstellungsverfahrens.

Nachweis von Seigerungen

Seigerungen sind Entmischungen, die während einem Walzprozess entstehen können.

In einer Seigerung sammelt sich ein Bestandteil einer Legierung, beispielsweise Kohlenstoff, und wird als deutlich sichtbare Linie im Querschnitt eines geschnittenen und geschliffenen Blechs sichtbar. Zur besseren Sichtbarkeit kann die Probe auch noch geätzt werden.

Analyse von Walzblechen

Mit dem sogenannten Fallhammer-Test (DWT-Test) wird eine Probe eines Metallblechs der Breite nach durchgebrochen. Die kristalline Struktur an der Bruchkante ist bereits mit dem bloßen Auge zu erkennen.

Die zerstörende Werkstoffprüfung kennt noch zahlreiche weitere Verfahren für die makroskopische Untersuchung

Was die makroskopische Untersuchung nicht leisten kann

Eine makroskopische Untersuchung kann mit einfachen Mitteln auf indirektem Weg allgemeine Aussagen über die Eigenschaften eines Werkstücks treffen.

Aus Masse und Volumen lässt sich die Dichte ermitteln, welche wiederum Rückschlüsse auf den Werkstoff schließen lässt. Dies ist aber nur bei beschichteten Materialien wirklich praktikabel, da hierbei der Werkstoff nicht gesehen werden kann.

Einfache taktile Untersuchungen lassen Rückschlüsse auf die Elastizität zu. Im makroskopischen Bereich bleiben aber diese Aussagen sehr beschränkt.

Die makroskopische Untersuchung kann:

• nur sehr eingeschränkte Aussagen über die genaue chemische Zusammensetzung eines Werkstoffs treffen
• auf zerstörungsfreiem Weg nur sehr eingeschränkt Aussagen über Hohlraumbildungen im Innern eines Werkstücks treffen.