Materialprüfung Verfahren im Vergleich für Metalle, Kunststoffe und Keramik

Das Wichtigste auf einen Blick

Vergleichskriterien: Norm, Werkstoff und Aussagekraft

Vier Kriterien entscheiden über die Verfahrenswahl: genormte Prüfvorschrift, Werkstoffbezug, Aussagekraft der Kennwerte und Kosten je Probe. Die Vorschrift regelt Probengeometrie, Prüfgeschwindigkeit, Temperatur und Auswertung. Ergebnisse verschiedener Labore sind nur bei identischer Norm und identischem Prüfablauf vergleichbar.

Beim DIN bearbeitet der Normenausschuss Materialprüfung (NMP) die Prüfverfahren für metallische und nichtmetallische Werkstoffe, von der Probenahme bis zur Auswertung. Wer wissen will, welches Gremium für eine Prüfnorm zuständig ist, findet die Zuständigkeit des Normenausschusses Materialprüfung (NMP) dort dokumentiert.

Zerstörende Verfahren arbeiten an entnommenen Proben und liefern Kennwerte für die Auslegung. Zerstörungsfreie Verfahren bewerten das gefertigte Bauteil und liefern Fehlerbilder statt Werkstoffkennwerte. Diese Unterscheidung entscheidet, ob eine Prüfung als Abnahmeprüfung, als Wareneingangsprüfung oder als Schadensanalyse dient. Deshalb kombiniert die Praxis in der Regel mehrere Verfahren.

Jede Prüfung setzt einen gültigen Kalibrierstatus voraus. Zug- und Druckprüfmaschinen werden nach DIN EN ISO 7500-1 überwacht, Härteprüfgeräte für Brinell nach DIN EN ISO 6506-2 und DIN EN ISO 6506-3, Pendelschlagwerke nach DIN EN ISO 148-2 und DIN EN ISO 148-3. Ohne Kalibrierung ist ein Messwert nicht rückführbar und im Streitfall kaum belastbar.

Zugversuch nach DIN EN ISO 6892-1

Der Zugversuch spannt eine genormte Probe in eine Prüfmaschine ein und zieht sie bis zum Bruch. Kraft und Verlängerung werden fortlaufend aufgezeichnet. Aus dem Kraft-Verlängerungs-Diagramm entstehen Streckgrenze, Zugfestigkeit, Bruchdehnung und Einschnürung.

Als Proben dienen Rund- und Flachproben, gängig ist die Rundprobe Form B mit 10 Millimetern Durchmesser und 50 Millimetern Messlänge. Der Zugversuch gilt als Leitverfahren der Metallprüfung, weil er Streckgrenze, Zugfestigkeit, Bruchdehnung und Elastizitätsmodul in einem Durchgang liefert.

Die Norm DIN EN ISO 6892-1 gilt für metallische Werkstoffe bei Raumtemperatur. Für Kunststoffe gelten DIN EN ISO 527-1 und DIN EN ISO 527-2 mit anderen Probestäben und Prüfgeschwindigkeiten. Keramik wird im Zugversuch nicht sinnvoll geprüft, weil die Festigkeit stark streut und Proben häufig im Einspannbereich brechen.

Für keramische Werkstoffe wird stattdessen die Biegefestigkeit nach DIN EN 843-1 an Biegestäben ermittelt. Der Vier-Punkt-Biegeversuch liefert einen Festigkeitswert, der von der Oberflächenbeschaffenheit abhängt. Für die Auslegung keramischer Bauteile ist zusätzlich die Weibull-Verteilung der Festigkeit relevant.

Kritischer Parameter ist die Prüfgeschwindigkeit. Verfahren A regelt die Dehngeschwindigkeit, Verfahren B die Spannungsgeschwindigkeit. Unterschiedliche Regelung ergibt unterschiedliche Streckgrenzen, deshalb setzt ein belastbarer Laborenvergleich dieselbe Methode und dieselbe Prüfmaschinenklasse voraus.

Typische Kosten liegen bei 70 bis 180 Euro netto je Probe. Die Probenherstellung aus Halbzeug oder Bauteil kostet zusätzlich 30 bis 80 Euro netto, bei gefrästen Flachproben mehr. Bei Serien mit zwanzig und mehr Proben sinkt der Preis je Probe deutlich, weil Rüstzeit und Bericht nur einmal anfallen.

Härteprüfung nach DIN EN ISO 6506 und verwandte Skalen

Brinell prüft mit einer Hartmetallkugel und einer definierten Prüfkraft. Gemessen wird der Durchmesser des bleibenden Eindrucks, angegeben wird die Härte in HBW. Das Verfahren eignet sich für Guss, Grobblech, Schmiedeteile und Werkstoffe mit grobem Gefüge.

Daneben stehen Vickers nach DIN EN ISO 6507-1 für dünne Schichten, Randzonen und Keramik, Rockwell nach DIN EN ISO 6508-1 für die schnelle Serienprüfung und Shore nach DIN EN ISO 868 für Kunststoffe und Elastomere. Jede Skala hat eigene Prüfkraft, eigenen Eindringkörper und eigene Auswertung.

Eine Umrechnung zwischen Skalen ist nur über Tabellen nach DIN EN ISO 18265 zulässig, und auch dort mit Streuung. Wer Härtewerte ohne Umwertungsnorm weitergibt, erzeugt Abweichungen bei Wareneingangsprüfungen und Reklamationen.

Der Kostenvorteil ist deutlich: 15 bis 45 Euro netto je Eindruck, üblich sind mehrere Eindrücke je Bauteil. Mobile Geräte nach dem UCI- oder Leeb-Verfahren prüfen vor Ort, kosten aber 400 bis 900 Euro netto pro Einsatztag und liefern ein anderes Messprinzip als die stationäre Prüfung.

Die Aussagekraft bleibt begrenzt. Härte beschreibt die Randschicht und reagiert auf Kaltverfestigung, Wärmebehandlung, Entkohlung und Oberflächenzustand. Ein Rückschluss auf die Zugfestigkeit dickwandiger Bauteile ist nur bei bekanntem Werkstoff und bekannter Wärmebehandlung belastbar.

Kerbschlagbiegeversuch nach DIN EN ISO 148-1

Ein Pendelschlagwerk zerschlägt eine gekerbte Probe mit definierter Schlagenergie. Gemessen wird die verbrauchte Arbeit in Joule, angegeben als Kerbschlagarbeit KV2 bei der jeweiligen Prüftemperatur. Die Norm DIN EN ISO 148-1 regelt Probenform, Kerbart, Auflage und Auswertung.

Der Kennwert hängt stark von der Temperatur ab. Deshalb wird bei tiefen Temperaturen geprüft, häufig bei minus 20, minus 40 oder minus 60 Grad Celsius. Eine Übergangskurve aus mehreren Prüftemperaturen zeigt, ab welcher Temperatur ein Werkstoff spröde versagt.

Für Kunststoffe gelten DIN EN ISO 179-1 für Charpy und DIN EN ISO 180 für Izod. Keramik wird nicht im Kerbschlagversuch geprüft, weil spröde Werkstoffe nahezu keine Schlagarbeit aufnehmen und die Probe ohne verwertbare Messgröße zerbricht.

Für die Konstruktion liefert der Versuch keine Kennzahl für die Auslegung. Er dient dem Nachweis, dass ein Werkstoff oder eine Schweißverbindung bei Betriebstemperatur duktil bleibt. Typische Kosten: 60 bis 150 Euro netto je Satz aus drei Proben, Tieftemperaturkonditionierung und aufwendige Kerbung erhöhen den Preis.

Kunststoffe: Schulterstäbe, Schlagzähigkeit und Fließverhalten

Kunststoffe reagieren stärker auf Temperatur, Feuchte und Prüfgeschwindigkeit als Metalle. DIN EN ISO 291 schreibt eine Klimatisierung bei 23 Grad Celsius und 50 Prozent relativer Luftfeuchte vor.

Der Zugversuch nach DIN EN ISO 527-2 nutzt genormte Schulterstäbe, Typ 1A mit 170 Millimetern Länge. Die Schlagzähigkeit läuft nach DIN EN ISO 179-1 als Charpy-Versuch oder nach DIN EN ISO 180 als Izod-Versuch. Für die Verarbeitbarkeit liefert die Schmelze-Massefließrate nach DIN EN ISO 1133-1 einen Kennwert.

Typische Laborkosten netto: 150 bis 260 Euro für den Zugversuch, 120 bis 220 Euro für die Schlagzähigkeit, 90 bis 160 Euro für die Fließrate.

Keramik: Vierpunkt-Biegeversuch, Bruchzähigkeit und Weibull-Verteilung

Keramik versagt spröde, deshalb lassen sich Zug- und Kerbschlagversuch kaum auswerten. Standard ist der Vierpunkt-Biegeversuch nach DIN EN 843-1 an Biegestäben von 3 x 4 x 45 Millimetern.

Die Festigkeitswerte streuen stark. Ausgewertet wird deshalb nach DIN EN 843-5 mit der Weibull-Verteilung, und je Charge gelten mindestens 20 Proben. Für die Bruchzähigkeit stehen das SEVNB-Verfahren nach DIN EN 14425-3 und der KIC-Wert bereit.

Typische Kosten: 220 bis 380 Euro netto je Biegeprobe, 350 bis 600 Euro netto je Bruchzähigkeitsprobe.

Spektralanalyse: Funken-OES und Röntgenfluoreszenz

Die optische Emissionsspektrometrie mit Funkenanregung bestimmt die chemische Zusammensetzung metallischer Proben. Eine ebene, sauber geschliffene Fläche wird abgefunkt, das Ergebnis sind Massenanteile der Legierungselemente in Prozent. Die Probenahme für Stahl regelt DIN EN ISO 14284.

Für Gussstücke, Schrottsortierung, Feuerfestmaterial und Keramikpulver wird häufig die Röntgenfluoreszenzanalyse verwendet. Sie arbeitet zerstörungsfrei an der Oberfläche, liefert aber andere Nachweisgrenzen als die Funkenanregung. Leichte Elemente sind mit beiden Verfahren unterschiedlich gut erfassbar.

Die Aussagekraft ist eindeutig abgegrenzt: Es entsteht eine Zusammensetzung, kein mechanischer Kennwert. Der Vergleich mit der Werkstoffanalyse der Liefernorm zeigt, ob zum Beispiel ein Edelstahl der Sorte 1.4404 innerhalb der zulässigen Bereiche liegt.

Kosten: 40 bis 120 Euro netto je Probe im Labor. Mobile Spektrometer vor Ort kosten 700 bis 1500 Euro netto je Tag, dafür entfällt der Probentransport und die Prüfung erfolgt direkt am eingebauten Bauteil.

Rasterelektronenmikroskopie mit Elementanalyse

Die Rasterelektronenmikroskopie bildet Oberflächen mit Vergrößerungen bis in den Bereich von etwa 100.000 zu 1 ab. Sie zeigt Bruchflächen, Korrosionsprodukte, Einschlüsse, Schichtaufbauten und Gefügebestandteile. In der Schadensanalyse ist sie häufig der erste Schritt zur Ursachenklärung.

Die Elementanalyse per EDX ordnet Bildbereichen chemische Elemente zu. Für die Vergrößerungskalibrierung gilt ISO 16700, für die Quantifizierung mit energiedispersiver Spektrometrie ISO 22309. Kunststoffe und Keramik benötigen eine leitfähige Beschichtung, meist Kohlenstoff, weil die Probenoberfläche sonst auflädt.

Zwei Grenzen sind für die Praxis wichtig. Die Untersuchung erfolgt im Hochvakuum, und die Aussage gilt für die betrachtete Stelle, nicht für das gesamte Bauteil. Wer eine Charge bewerten will, braucht mehrere Probenstellen oder ein Volumenverfahren.

Typische Kosten: 150 bis 400 Euro netto je Probe oder Stunde. Bilddokumentation, EDX-Zuordnung und ein ausführlicher Prüfbericht werden häufig separat berechnet. Bauteilprüfungen mit Bruchflächenanalyse liegen regelmäßig im oberen Bereich dieser Spanne.

Computertomografie als Volumenverfahren

Die Computertomografie durchstrahlt das Bauteil aus vielen Richtungen und rechnet daraus ein dreidimensionales Volumenbild. Lunker, Risse, Poren, Wandstärken und Maßabweichungen werden sichtbar, ohne das Bauteil zu öffnen. Für dimensionelle Messungen gilt die VDI/VDE 2630 Blatt 1.3, für die Durchstrahlungsprüfung die Normenreihe ISO 15708.

Die Anwendungen reichen von Aluminiumdruckguss über Schweißnähte bis zu additiv gefertigten Komponenten. Die Bauteilprüfung mit bildgebenden Verfahren wird normungsseitig im Umfeld der Werkstofftechnologie bearbeitet; die Übersicht zu den Aufgaben des Normenausschusses Werkstofftechnologie (NWT) nennt diesen Bereich ausdrücklich.

Die Grenzen liegen in der Auflösung. Je größer das Bauteil, desto größer das einzelne Voxel, desto weniger Details sind trennbar. Zwei Werkstoffe mit ähnlicher Dichte lassen sich schwerer unterscheiden, dünne Risse und klebende Fügeflächen sind nicht in jedem Fall erkennbar.

Eine Serienprüfung ist nur bei kurzen Messzeiten und wiederkehrender Bauteilgeometrie wirtschaftlich. Typische Kosten: 400 bis 1500 Euro netto je Scan, aufwändige Auswertungen liegen darüber. Ein CT-Tagessatz liegt bei 1500 bis 3500 Euro netto, damit ist die Computertomografie das teuerste Verfahren im Vergleich.

Zerstörungsfreie Verfahren: Ultraschall, Durchstrahlung und Eindringprüfung

Zerstörungsfreie Prüfungen lassen das Bauteil intakt und sind an jedem Stück wiederholbar.

Die Ultraschallprüfung nach DIN EN ISO 16810 sendet Schallwellen in den Werkstoff und berechnet aus Laufzeit und Echo die Lage einer Fehlstelle. Sie eignet sich für dickwandige Bauteile und die Wanddickenmessung. Blinder Bereich: raue Oberflächen erschweren die Einkopplung, oberflächennahe Fehler bleiben oft verborgen.

Die Durchstrahlungsprüfung arbeitet mit Röntgen- oder Gammastrahlen, geregelt in DIN EN ISO 5579 und DIN EN ISO 17636-1 für Schweißnähte. Sie zeigt Poren, Einschlüsse und Risse als Bild. Blinde Bereiche: Strahlenschutz und Wanddicke begrenzen den Einsatz, ein Riss muss in Strahlrichtung liegen.

Die Eindringprüfung nach DIN EN ISO 3452-1 trägt einen farbigen oder fluoreszierenden Stoff auf, entfernt den Überschuss und zieht ihn mit einem Entwickler aus offenen Rissen. Sichtbar werden nur Fehler, die bis an die Oberfläche reichen. Für poröse Werkstoffe ist das Verfahren nicht geeignet.

Kombinationen sind üblich: nach dem Ultraschall folgt oft die Eindringprüfung, bei Schweißnähten ergänzen sich Durchstrahlung und Ultraschall. Die Kosten bestimmen Bauteilgröße, Stückzahl und die geforderte Qualifikation des Personals.

Vergleichstabelle: Normen, Werkstoffe und Preisspannen

Die Tabelle nennt marktübliche Richtwerte deutscher Prüflabore, alle Beträge netto ohne Umsatzsteuer. Konkrete Angebote weichen je nach Probenaufkommen, Probenvorbereitung und Dokumentationstiefe ab.

Die Durchlaufzeit gilt ab Probeneingang im Labor und hängt von Auslastung, Probenvorbereitung und Dokumentationstiefe ab. Die Werte sind typische Richtwerte, keine Zusagen.

Beispielrechnung: Prüfauftrag für eine Charge

Ein Zulieferer lässt von einem Chargenmuster fünf Zugproben, zehn Härteeindrücke, einen Kerbschlagprobensatz und zwei Spektralanalysen prüfen. Angesetzt werden mittlere Marktpreise.

Summe netto: 1180 Euro. Umsatzsteuer 19 Prozent: 224,20 Euro. Gesamtbetrag brutto: 1404,20 Euro. Prüfberichte sind in diesem Ansatz enthalten, eine Probenherstellung aus dem Bauteil wäre mit 30 bis 80 Euro netto je Probe zusätzlich zu kalkulieren.

Ein CT-Scan desselben Bauteils würde den Auftrag deutlich verteuern. Bei 900 Euro netto für den Scan kommen 171 Euro Umsatzsteuer hinzu, der Bruttobetrag läge bei 1071 Euro für eine einzige Prüfung. Deshalb wird die Computertomografie meist erst eingesetzt, wenn zerstörende Prüfungen und Oberflächenverfahren keine Klärung gebracht haben.

Verfahrenswahl in fünf Schritten

Die Übersicht über die Normenausschüsse des DIN hilft, für eine Prüfaufgabe das zuständige Gremium zu finden. Sie ersetzt jedoch keine Beratung im Prüflabor, weil viele Verfahren werkstoff- und bauteilspezifische Zusatzregeln kennen.

Normenausschüsse und Arbeitssicherheit im Prüflabor

Für die Regelwerke sind zwei Gremien des DIN zuständig: der Normenausschuss Materialprüfung (NMP) für Prüfverfahren von der Probenahme bis zur Auswertung und der Normenausschuss Werkstofftechnologie (NWT) für Bauteilprüfung und Werkstofftechnologie.

Im Prüflabor gelten die DGUV Vorschrift 1 mit den Grundsätzen der Prävention und die DGUV Regel 100-500 zum Betreiben von Arbeitsmitteln. Wer Röntgen- oder Gammastrahlen einsetzt, braucht zusätzlich die Fachkunde im Strahlenschutz nach Strahlenschutzgesetz und Strahlenschutzverordnung.

Die Prüfmittelüberwachung folgt den Kalibriernormen des jeweiligen Verfahrens.

Prüfbericht, Akkreditierung und Verbindlichkeit

Ein Prüfbericht muss Prüfnorm, Prüfbedingungen, Probendaten, Messergebnisse und Messunsicherheit enthalten. Akkreditierte Labore arbeiten nach DIN EN ISO/IEC 17025 und weisen die Rückführbarkeit ihrer Messmittel nach. In Deutschland erteilt die Deutsche Akkreditierungsstelle (DAkkS) diese Akkreditierungen für definierte Prüfbereiche. Rechtlich verlangt das Produktsicherheitsgesetz für Produkte, die in Verkehr gebracht werden, eine Konformitätsbewertung.

DIN-Normen sind technische Regeln, die durch Vertrag, Verordnung oder Verweis in einer Spezifikation Verbindlichkeit erlangen. Was eine DIN-Norm ausmacht und wie sie entsteht, beschreibt DIN in seiner Einführung. Für die Praxis zählt weniger der Status als der Verweis: Wer einen Werkstoff nach Norm einkauft, muss die Prüfverfahren derselben Norm beauftragen.

Ein häufiger Fehler ist der Wechsel des Verfahrens innerhalb einer Lieferbeziehung. Wird eine Härteprüfung durch einen Zugversuch ersetzt, ändern sich Kennwert, Aussagekraft und Bezugswert. Prüfberichte aus verschiedenen Verfahren sind ohne Werkstoffzusammenhang nicht vergleichbar, ein Vergleich der Normen und Standards zeigt die jeweiligen Geltungsbereiche.

Häufige Fragen

Welche Materialprüfung Verfahren eignen sich für Keramik?

Für keramische Werkstoffe werden die Biegefestigkeit nach DIN EN 843-1, die Härte nach Vickers nach DIN EN ISO 6507-1 und die Computertomografie für innere Fehler eingesetzt. Zugversuch und Kerbschlagbiegeversuch liefern bei Keramik wegen der Sprödigkeit und der Festigkeitsstreuung keine verwertbaren Kennwerte.

Was kostet eine Materialprüfung netto und mit MwSt?

Die Spannen reichen von 15 bis 45 Euro netto je Härteeindruck über 70 bis 180 Euro netto beim Zugversuch bis 400 bis 1500 Euro netto je CT-Scan. Auf jeden Nettobetrag kommen 19 Prozent Umsatzsteuer. Aus 120 Euro netto für einen Kerbschlagprobensatz werden 142,80 Euro brutto.

Wie lange dauert eine Spektralanalyse?

Die reine Messung am Funkenspektrometer dauert Sekunden bis wenige Minuten. Hinzu kommen Probenvorbereitung, Kalibrierung mit Referenzmaterial und die Erstellung des Prüfberichts, sodass Ergebnisse je nach Auslastung des Labors innerhalb weniger Werktage vorliegen.

Reicht die Härteprüfung als Abnahmekriterium?

Nur wenn Werkstoff, Wärmebehandlung und Prüfstelle definiert sind und die Liefernorm die Härte als Kriterium nennt. Für Bauteile mit Zugbelastung ist der Zugversuch nach DIN EN ISO 6892-1 aussagekräftiger, weil er die Festigkeit des gesamten Querschnitts erfasst.

Wann lohnt sich die Computertomografie gegenüber der klassischen Durchstrahlung?

Die Computertomografie lohnt sich, wenn innere Fehler räumlich verortet, Wandstärken gemessen oder Maßabweichungen bewertet werden sollen. Geht es nur um den Nachweis einzelner Fehler in einer Ebene, bleiben zweidimensionale Durchstrahlungsverfahren nach ISO 15708 preislich im Vorteil.