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Fachübungen 3 – Festigkeitskennwerte, Verformungskennwerte und Härte ermitteln - Werkstoffprüfer

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Einleitung

Im ersten Ausbildungsjahr als Werkstoffprüferin oder Werkstoffprüfer untersuchst du, wie Werkstoffe auf Kräfte reagieren. Lernfeld 3 des KMK-Rahmenlehrplans heißt „Festigkeitskennwerte, Verformungskennwerte und Härte ermitteln“ (Zeitrichtwert: 100 Unterrichtsstunden). Du lernst, einen Prüfauftrag zu planen, mechanische Kennwerte aus Messdaten zu berechnen, Messfehler zu erkennen und Ergebnisse sachlich zu bewerten. Alle nachfolgenden Messwerte, Aufträge und Grenzwerte sind synthetische Übungsdaten, keine Anweisung zur Maschinenfreigabe oder realen Produktfreigabe.

Die dreieinhalbjährige Ausbildung zum Werkstoffprüfer bzw. zur Werkstoffprüferin ist nach der geltenden Ausbildungsordnung in die Fachrichtungen Metalltechnik, Kunststofftechnik, Wärmebehandlungstechnik und Systemtechnik gegliedert; dieses erste Lernfeldthema vermittelt gemeinsame Grundlagen. Die Ausbildungsordnung gilt seit 1. August 2013 und wurde 2014 geändert. Die Abschlussprüfung ist gestreckt und fachrichtungsspezifisch geregelt; dieser Kurs behauptet keine einheitlichen Prüfungszeiten oder Gewichtungen. Verbindlich sind stets die aktuelle Ausbildungsordnung, die einschlägigen Normausgaben und die konkreten Prüfunterlagen. Rechtsgrundlage und BIBB-Berufsprofil.

Sicherheit: Maschinen-, Elektro-, Gefahrstoff- und Gesundheitsarbeiten finden ausschließlich unter qualifizierter Anleitung, mit freigegebenem Prüfplan und geeigneten Schutzmaßnahmen statt. Die Aufgaben hier beschränken sich auf Planung, Simulation, Auswertung, Skizzen und Dokumentation; du führst keine eigenständigen realen Maschinenversuche durch.

Prüfauftrag und Werkstoffverhalten verstehen

Was wird eigentlich gemessen?

Festigkeit beschreibt den Widerstand gegen mechanische Beanspruchung; die Zugfestigkeit Rm ist die höchste technische Zugspannung im Zugversuch. Steifigkeit meint den Widerstand gegen elastische Verformung, näherungsweise charakterisiert durch den Elastizitätsmodul E. Härte beschreibt beim jeweiligen Prüfverfahren den Widerstand gegen das Eindringen eines Prüfkörpers. Zähigkeit beschreibt dagegen das Vermögen, vor Bruch Energie aufzunehmen. Diese Größen sind nicht austauschbar: Ein harter Werkstoff kann spröde sein. Auch die Härte ist ohne verfahrensspezifische Angabe kein vollständiges Prüfergebnis.

Elastisch heißt: Nach Entlastung kehrt die Probe in den Ausgangszustand zurück. Plastisch heißt: Ein Teil der Formänderung bleibt. Metalle verformen sich unter anderem durch Bewegung von Versetzungen in Kristallgittern. Korngröße, Gitterfehler, Wärmebehandlung und Einschlüsse beeinflussen das Verhalten. Bei Kunststoffen spielen Polymerstruktur, Temperatur, Zeit, Prüfgeschwindigkeit, Poren und Füllstoffverteilung eine wichtige Rolle. Ein einfacher Vergleich bei unterschiedlichen Prüfbedingungen wäre irreführend.

Prüfplanung als berufliche Handlungskette

Du klärst zunächst: Werkstoff und Lieferzustand, Fragestellung, Prüfverfahren, geltende Normfassung, Probenentnahme und -geometrie, Prüftemperatur, dokumentierte Probenidentität, geeignete Prüfmittel, Kalibrierstatus, Auswerteverfahren, Messunsicherheit und vereinbarte Annahmekriterien. Danach folgt die Reihenfolge Prüfauftrag → Prüfplan → dokumentierte Durchführung durch autorisiertes Personal → Plausibilitätskontrolle → Bericht → fachliche Bewertung. Eine Werkstoffprobe ist nur so aussagekräftig wie ihre dokumentierte Herkunft und die Prüfung unter passenden Bedingungen.

Fragestellung	Beispiel eines geeigneten Verfahrens	Hauptinformation	Kritischer Einfluss
Maximale Zugbeanspruchung	Zugversuch	Rm, Rp0,2, A, gegebenenfalls Z und E	Probenquerschnitt, Dehnungsmessung, Prüfrate
Widerstand gegen Eindrücken	Härteprüfung	Verfahrensbezogener Härtewert	Oberfläche, Prüfkraft, Abstand der Eindrücke
Verhalten bei schlagartiger Beanspruchung	Kerbschlagbiegeversuch	Aufgenommene Kerbschlagarbeit	Temperatur, Kerbgeometrie, Probenlage
Lastaufnahme unter Druck oder Biegung	Druck- oder Biegeprüfung	Druck- bzw. Biegekennwerte	Lagerung, Fluchtung, Probenmaße

Eine Prüfskizze muss Probenform, relevante Abmessungen und Messlänge eindeutig bezeichnen. Einen realen Prüfplan oder eine Maschinenbedienung darf nur zuständiges Fachpersonal freigeben.

Zugversuch: Kraft, Spannung und Dehnung

Der schematische Versuchsablauf

Im genormten Zugversuch an Metallen (etwa nach DIN EN ISO 6892-1, aktuelle Ausgabe anhand der Prüfanweisung prüfen) wird eine definierte Probe axial belastet. Eine Zugprüfmaschine erfasst Kraft; ein geeignetes Dehnungsmesssystem erfasst die Längenänderung. Nach dem elastischen Bereich treten gegebenenfalls ausgeprägte Streckgrenzen oder eine konventionelle 0,2-%-Dehngrenze auf. Es folgen Kaltverfestigung, Höchstkraft, mögliche Einschnürung und Bruch. Für Kunststoffe gelten andere Prüfvorgaben, etwa die einschlägigen Teile von ISO 527. Die Prüfgeschwindigkeit und das Dehnungsmessverfahren beeinflussen die Vergleichbarkeit.

Abbildung: universelle Prüfmaschine; Bildnachweis und Lizenz siehe OER-Quellen.

Abbildung: beispielhafte technische Spannungs-Dehnungs-Kurve eines duktilen Werkstoffs; die dargestellten Werte sind nicht die Messdaten des Modellfalls.

Foto: gebrochene Flachzugprobe mit Einschnürung. Bruchbild und Bruchdehnung sind getrennt zu beurteilen.

Rechenregeln und Einheiten

Die technische Spannung berechnest du mit σ = F / S0. F steht für Kraft in Newton und S0 für den ursprünglichen Querschnitt in Quadratmillimetern. Weil 1 N/mm² = 1 MPa gilt, ergibt sich direkt die Einheit MPa. Für eine rechteckige Probe gilt S0 = b0 · a0, bei einer runden Probe S0 = π · d0² / 4. Verwechsle niemals den ursprünglichen Querschnitt mit dem während der Einschnürung veränderten Querschnitt.

Die technische Dehnung ist ε = ΔL / L0 = (L − L0) / L0 und wird einheitenlos oder in Prozent angegeben. Im annähernd linearen elastischen Bereich gilt E = Δσ / Δε, wobei ε für diese Formel als Dezimalzahl einzusetzen ist. Achtung: 0,1 % ist 0,001 und nicht 0,1. E wird häufig in GPa angegeben; 1 GPa entspricht 1000 MPa.

Die Zugfestigkeit lautet Rm = Fm / S0 mit der Höchstkraft Fm. Bei fehlender ausgeprägter Streckgrenze wird die 0,2-%-Dehngrenze Rp0,2 aus dem Schnitt der Kurve mit einer zur elastischen Geraden parallel um 0,2 Prozentpunkte plastische Dehnung versetzten Linie ermittelt. Das ist nicht pauschal die Spannung bei 0,2 % Gesamtdehnung. Die Bruchdehnung nach dem Zusammenfügen der Bruchstücke berechnest du als A = (Lu − L0) / L0 · 100 %. Die Brucheinschnürung ist Z = (S0 − Su) / S0 · 100 %, sofern die geforderten Proben- und Messbedingungen erfüllt sind.

Beispiel ohne Maschinenarbeit: b0 = 10,0 mm, a0 = 2,0 mm und F = 6000 N. Dann S0 = 20,0 mm² und σ = 6000 N / 20,0 mm² = 300 MPa. Ist L0 = 50,0 mm und die elastische Längenänderung ΔL = 0,050 mm, beträgt ε = 0,001 = 0,10 %. Ein Wertepaar allein beweist noch keine korrekte Bestimmung von Rp0,2.

Daten lesen und Diagrammfehler diagnostizieren

Abschnitt der idealisierten Kurve	Was du erkennst	Häufiger Denkfehler
Anfangsgerade	Elastisches Verhalten, Steigung näherungsweise E	Prozentdehnung direkt statt Dezimaldehnung verwenden
Beginn plastischer Verformung	Bleibende Dehnung, eventuell Rp0,2 oder Re	Rp0,2 mit Rm verwechseln
Höchstkraft	Rm = Fm/S0	Spannung mit momentaner Einschnürfläche berechnen
Bruch nach Einschnürung	A und gegebenenfalls Z	Bruchdehnung mit Gleichmaßdehnung gleichsetzen

Fällt bei steigender Dehnung nach der Höchstkraft die technische Spannung, kann das mit Einschnürung zusammenhängen; daraus folgt nicht automatisch, dass die lokale wahre Spannung ebenfalls fällt. Prüfe jede Diagrammachse: MPa gegen Prozent oder gegen dimensionslose Dehnung? Ohne diese Angabe sind Steigung und Interpretation gefährdet.

Druck-, Biege- und Kerbschlagprüfung vergleichen

Druck- und Biegebeanspruchung

Im Druckversuch wird eine Probe zusammengedrückt. Metalle und Kunststoffe können unter Druck deutlich anders reagieren als unter Zug. Bei duktilen Metallen kann eine ausgeprägte Druckbruchgrenze fehlen; ein festgelegtes Stauchmaß bzw. eine definierte Kennspannung ist dann aussagekräftiger als eine frei erfundene „Bruchfestigkeit“. Reibung an den Druckplatten, Knicken schlanker Proben, schiefe Einspannung und nichtparallele Stirnflächen verfälschen Ergebnisse.

Beim Dreipunktbiegeversuch liegt eine Probe auf zwei Auflagern und wird mittig belastet; die Beanspruchung setzt sich aus Zug- und Druckzonen zusammen. Die Stützweite, Querschnittsgeometrie und Prüfrate beeinflussen den ermittelten Wert. Für Kunststoffe ist die einschlägige Normenreihe, zum Beispiel ISO 178, zu prüfen. Druck- und Biegekennwerte dürfen nicht ohne Norm- und Geometriebezug unmittelbar der Zugfestigkeit gleichgesetzt werden.

Kerbschlagarbeit ist nicht Zugfestigkeit

Im Charpy-Kerbschlagbiegeversuch schlägt ein Pendel gegen eine gekerbte Probe. Die vom Prüfkörper aufgenommene Kerbschlagarbeit wird in Joule angegeben. Prüftemperatur, Kerbe, Probenorientierung und Werkstoffzustand beeinflussen das Ergebnis stark. Eine hohe Kerbschlagarbeit weist auf ein größeres Energieaufnahmevermögen unter den geprüften Bedingungen hin, ist aber kein unmittelbarer Wert für Rm. Für metallische Proben ist die jeweils geltende Fassung von ISO 148-1 zu berücksichtigen; für bestimmte Kunststoffe kommen andere Normen infrage.

Schema: Prinzip des Charpy-Kerbschlagbiegeversuchs. Der Pendelversuch ist kein eigenständig durchzuführender Schulversuch.

Verfahren	Typische Messgröße	Ergebnis-Einheit	Übertragungsgrenze
Zugversuch	Höchstkraft und Dehnung	MPa, Prozent	Prüfgeschwindigkeit und Temperatur beachten
Druckversuch	Kraft und Stauchung	MPa, Prozent	Knicken und Reibung berücksichtigen
Biegeversuch	Kraft und Durchbiegung	MPa, mm oder GPa, je nach Kennwert	Auflager und Probenform sind wesentlich
Kerbschlagbiegeversuch	Aufgenommene Energie	J	Keine Umrechnung in Rm ohne belastbare Grundlage

Transfer: Wenn eine Probe bei Raumtemperatur gute Zugfestigkeitswerte hat, ist damit noch nicht bewiesen, dass ein daraus gefertigtes Bauteil bei tiefen Temperaturen oder schlagartiger Belastung sicher ist. Die Prüffrage legt das geeignete Verfahren fest, nicht umgekehrt.

Härteprüfung nach Brinell, Vickers und Rockwell

Drei Verfahren, drei Auswertelogiken

Brinell (HBW) verwendet eine Hartmetallkugel. Unter definierter Kraft und Belastungsdauer entsteht ein Eindruck; der Eindruckdurchmesser wird ausgemessen und nach der normgerechten Beziehung zur Kugeloberfläche ausgewertet. Vickers (HV) nutzt eine Diamantpyramide; die beiden Eindruckdiagonalen werden gemessen und gemittelt. Rockwell bestimmt den Härtewert aus einer bleibenden Eindringtiefe zwischen Vor- und Hauptlaststufe; zum Beispiel verwendet die Skala HRC einen diamantförmigen Kegeldrückkörper. Es gibt weitere Rockwellskalen mit anderen Parametern. Immer die vollständige Skala und relevante Prüfparameter dokumentieren.

Schema: Geometrie des Brinell-Eindrucks; schematische Darstellung, nicht zur Geräteeinstellung bestimmt.

Schema: Vickers-Prüfkörper und Eindrücke. Kleinere Eindrücke bei gleicher geeigneter Prüflast sprechen für höhere Härte.

Foto: Rockwell-Prüfgerät; die eigentliche Härtebestimmung erfordert geregelte Prüfung, geeignete Referenzen und autorisiertes Fachpersonal.

Merkmal	Brinell	Vickers	Rockwell
Eindringkörper	Hartmetallkugel	Diamantpyramide	Je nach Skala Diamantkegel oder Kugel
Primär gemessen	Eindruckdurchmesser	Zwei Eindruckdiagonalen	Bleibende Eindringtiefe
Beispielkennzeichen	HBW	HV	HRC oder HRB
Auswahlhinweis	Häufig für grobstrukturierte metallische Werkstoffe	Vielseitig, auch kleine Prüfzonen bei passenden Bedingungen	Rasches Ablesen bei definiertem Verfahren
Typische Fehler	Eindruck zu nahe am Rand	Schiefe Oberfläche, schlecht erkennbare Diagonalen	Falsche Skala oder nicht korrekte Vorlast

Nicht einfach umrechnen: Ein Wert wie „185 HV“ lässt sich nicht beliebig als „185 HBW“ oder „185 HRC“ verwenden. Normative Umwertungstabellen sind material- und verfahrensabhängig; bei Unklarheit wird das Ergebnis nicht in eine andere Skala umetikettiert. Auch eine große Härte allein belegt weder Zähigkeit noch Eignung unter wechselnder Last.

Fachvideo (Englisch): Brinell Hardness Test, MaterialsScience2000, verantwortlich Prof. Rainer Schwab / Hochschule Karlsruhe; nur unter Anleitung als Demonstration auswerten.

Fachvideo (Englisch): Vickers Hardness Test, MaterialsScience2000, Hochschule Karlsruhe; achte auf die gemessenen Diagonalen.

Fachvideo (Englisch): Rockwell Hardness Test, MaterialsScience2000, Hochschule Karlsruhe; beobachte die Laststufen.

Prüfmittelfähigkeit und dokumentierte Messabweichung

Bevor Härteergebnisse zur Entscheidung dienen, kontrolliert qualifiziertes Personal die geforderte Prüfmittelfähigkeit, zum Beispiel anhand zulässiger Abweichungen mit Härtevergleichsplatten, passender Skala und dokumentierter Kalibrierung. Du solltest an einer synthetischen Zahlenreihe unterscheiden zwischen Mittelwert als Lagekennzahl, Spannweite als Streuungsbeschreibung und Messunsicherheit als begründetem Unsicherheitsintervall. Drei nahe beieinanderliegende Werte beweisen noch keine Rückführbarkeit oder ausreichende Messunsicherheit.

Beispiel: 182 HV, 185 HV und 187 HV ergeben einen Mittelwert von (182 + 185 + 187) / 3 = 184,7 HV und eine Spannweite von 187 − 182 = 5 HV. Diese Auswertung ersetzt weder die verfahrensgerechte Messunsicherheitsbewertung noch eine rechtsverbindliche Konformitätsentscheidung.

Prüfdaten auswerten: vollständiger berufstypischer Modellfall

Auftragskarte und Datenblatt einer fiktiven Charge

Du erhältst den fiktiven Auftrag P-ÜB-03 einer nicht realen Metallverarbeitung. Zu beurteilen ist eine simulierte Flachprobe einer hypothetischen Charge M-17 nach folgenden nur für diese Übung vereinbarten Grenzwerten. Reale Prüfspezifikationen, Normvorgaben und Lieferbedingungen werden hierdurch nicht ersetzt. Alle Maschinenmessungen gelten als bereits von berechtigtem Personal durchgeführt; du wertest nur Zahlen und Unterlagen aus.

Merkmal	Synthetischer Wert	Grundlage / Rolle
Anfangsbreite b0	10,0 mm	Ursprünglicher Probenquerschnitt
Anfangsdicke a0	2,0 mm	Ursprünglicher Probenquerschnitt
Anfangsmesslänge L0	50,0 mm	Bezug für A
Höchstkraft Fm	10 600 N	Aus Kurvendaten eines fiktiven Zugversuchs
Kraft am normgerecht ermittelten 0,2-%-Offset Fp0,2	7 400 N	Nur als Ergebnis der bereits erfolgten Kurvenauswertung
Messlänge nach Bruch Lu	61,0 mm	Bereits normgerecht zusammengesetzte Bruchstücke
Kleinster Querschnitt nach Bruch Su	12,4 mm²	Nur für ergänzende Berechnung von Z
Härtewerte	182 HV, 185 HV, 187 HV	Fiktive Werte einer vergleichbaren Prüfserie
Übungsgrenzen	Rm mindestens 520 MPa; Rp0,2 mindestens 355 MPa; A mindestens 20 %; Härtemittel 175–195 HV	Rein didaktische Vorgabe

Zusätzlicher Kontrollpunkt aus der linear-elastischen Region: Bei F = 4000 N wird über L0 = 50,0 mm eine Längenänderung von ΔL = 0,0475 mm angenommen. Achte auf die Trennung zwischen dieser elastischen Messung und der bleibenden Bruchdehnung.

Vollständiger Rechenweg und Ergebnis

1. Querschnitt: S0 = 10,0 mm · 2,0 mm = 20,0 mm².

2. Zugfestigkeit: Rm = 10 600 N / 20,0 mm² = 530 MPa. Der Grenzwert von 520 MPa ist nach den synthetischen Daten rechnerisch erreicht.

3. Dehngrenze: Rp0,2 = 7 400 N / 20,0 mm² = 370 MPa. Entscheidend: Die Kraft stammt ausdrücklich aus dem 0,2-%-Offset der Kurve, nicht aus einer beliebig abgelesenen Gesamtdehnung. Der Übungsgrenzwert von 355 MPa wird erreicht.

4. Bruchdehnung: A = (61,0 − 50,0) mm / 50,0 mm · 100 % = 22,0 %. Der Übungsgrenzwert 20 % wird erreicht.

5. Brucheinschnürung (zusätzlich): Z = (20,0 − 12,4) mm² / 20,0 mm² · 100 % = 38,0 %. Dieser Kennwert wurde im fiktiven Auftrag nicht als Annahmegrenze vorgegeben.

6. Elastische Spannung und E-Modul: Bei 4000 N ist σ = 4000 N / 20,0 mm² = 200 MPa. Es gilt ε = 0,0475 mm / 50,0 mm = 0,00095. Damit E ≈ 200 MPa / 0,00095 ≈ 210 526 MPa = 211 GPa. Ein einzelnes Wertepaar mit angenommenem Ursprung liefert hier nur eine Näherung; in einer normgerechten Messreihe ist die E-Bestimmung separat abzusichern.

7. Härtestatistik: Mittelwert = (182 + 185 + 187) HV / 3 = 184,7 HV; Spannweite = 5 HV. Der Mittelwert liegt innerhalb der synthetischen Grenze 175–195 HV. Ohne Ungewissheitsangaben bleibt dies eine rechnerische, keine verbindliche Konformitätsaussage.

8. Bewertungsentscheidung: Unter der ausdrücklich vereinfachten Annahme, dass Daten, Probenidentität, Verfahren und Messsystem geeignet sind und keine Unsicherheits- oder Entscheidungsregel entgegensteht, erfüllen alle vier Übungsgrenzwerte die vorgegebenen Grenzen. Eine reale Freigabe ist daraus ausdrücklich nicht abzuleiten. Es fehlen beispielsweise Originalprüfprotokolle, konkrete Normfassung, Messunsicherheiten, Datenrückführbarkeit und eine freigegebene Entscheidungsregel.

Musterarbeitsprodukt: kurzer Prüfbericht

Prüfbericht, ausschließlich Simulation: „Fiktiver Prüfauftrag P-ÜB-03, Probe M-17. Geometrie b0 = 10,0 mm, a0 = 2,0 mm, S0 = 20,0 mm², L0 = 50,0 mm. Aus den bereitgestellten Messwerten folgen Rm = 530 MPa, Rp0,2 = 370 MPa, A = 22,0 % und ein mittlerer Härtewert von 184,7 HV bei einer Spannweite von 5 HV. Die vier fiktiven Grenzwerte sind rechnerisch erfüllt. Eine belastbare tatsächliche Produktfreigabe ist ohne verifizierte Prüfbedingungen, Normkonformität, Messunsicherheit und Entscheidungsregel unzulässig. Datenstand: synthetischer Unterrichtsfall.“

Fachliches Bewertungsraster für deine Auswertung (30 Punkte):

Kriterium	Punkte	Volle Punktzahl erhältst du, wenn …
Auftragsverständnis, Sicherheit und Grenzen	4	du fiktive Vorgaben, Zuständigkeiten und fehlende Freigabeberechtigung klar benennst
Rechenansätze, Einheiten und nachvollziehbarer Weg	8	S0, Rm, Rp0,2, A, E und Härtestatistik korrekt berechnet und dimensioniert sind
Diagramminterpretation und Verfahrenswahl	5	du Offset, Höchstkraft, elastischen Bereich und Grenzen der Verfahren trennst
Fehlerdiagnose und Unsicherheit	5	du mindestens drei plausible Fehler mit ihren Wirkungen und geeigneten Kontrollen erklärst
Bericht und Entscheidung	5	du Daten, fiktive Grenzwerte und die bedingte Bewertung unterscheidest
Nachvollziehbare Quellen und Fachsprache	3	du relevante Normenquellen nennst und Messwerte eindeutig beschriftest

Orientierung: 27–30 Punkte: sehr sicher; 23–26: sicher; 18–22: Grundlagen überwiegend erfüllt; darunter: gezielt nacharbeiten. Das Raster ist didaktisch und keine offizielle Prüfungsbewertung.

Fehlerdiagnose und Transfer

Auffälligkeit	Mögliche Ursache	Fachlich angemessene Reaktion
Rm unrealistisch hoch	Ursprünglicher Querschnitt zu klein eingegeben	Messprotokoll, Geometrie und Einheiten gegenprüfen
E um Faktor 100 abweichend	Prozentangabe statt Dezimaldehnung eingesetzt	Dehnungsachse und Umrechnung prüfen
Härtewerte streuen stark	Oberfläche, Eindrückabstand, Gefüge oder Prüfmittelabweichung	Prüfbedingungen und Referenzkontrolle durch Fachpersonal prüfen lassen
Probe bricht außerhalb des zulässigen Messbereichs	Geometrie, Einspannung oder Prüfablauf nicht geeignet	Ergebniskennwerte nur im Rahmen der Norm beurteilen, Prüfleitung informieren
Zugversuch gut, Schlagarbeit niedrig	Unterschiedliches Verhalten bei dynamischer Beanspruchung oder Temperatur	Keine pauschale Freigabe, Kerbschlagbefund fachlich einordnen

Aufgabenstellungen können Werkstoffe für ein Fahrradbauteil, ein Gehäuse oder eine Halterung betreffen. Eine echte Auslegung und Sicherheitsbewertung übernimmt fachlich zuständiges Personal; deine Aufgabe hier ist die begründete Datenauswertung.

Interaktive Aufgaben

Quiz: Teste dein Wissen

Welche technische Spannung entsteht bei 6000 N Zugkraft und 20 mm² ursprünglichem Querschnitt? (300 MPa) (!120 MPa) (!30 MPa) (!3000 MPa)

Rückmeldung: 1 N je Quadratmillimeter entspricht 1 MPa. Teile 6000 durch 20, nicht umgekehrt.

Was bedeutet elastische Verformung im idealisierten Grundmodell? (Die Formänderung geht nach Entlastung zurück) (!Die Probe bleibt dauerhaft verlängert) (!Der Werkstoff muss dabei brechen) (!Die Härte nimmt zwangsläufig ab)

Rückmeldung: Elastisch ist grundsätzlich reversibel; bleibende Dehnung ist plastisch.

Wie wird die Dehngrenze Rp0,2 bei einer Zugkurve ohne ausgeprägte Streckgrenze bestimmt? (Durch eine um 0,2 Prozentpunkte versetzte Parallele zur elastischen Geraden) (!Als maximale Spannung vor dem Probenbruch) (!Als Spannung bei exakt 0,2 Prozent Gesamtdehnung) (!Durch Mittelung der Härtewerte)

Rückmeldung: Die 0,2 Prozent beziehen sich auf die bleibende Dehnung im Offsetverfahren.

Welche Bruchdehnung ergibt sich bei L0 gleich 50 mm und Lu gleich 61 mm? (22 Prozent) (!11 Prozent) (!18 Prozent) (!122 Prozent)

Rückmeldung: Die Verlängerung 11 mm wird durch die Ausgangsmesslänge 50 mm geteilt.

Welcher Eindringkörper kennzeichnet die Vickers-Härteprüfung? (Eine Diamantpyramide) (!Eine Hartmetallkugel) (!Eine Stahlfeile) (!Ein Pendelhammer)

Rückmeldung: Vickers nutzt eine Diamantpyramide; die Eindruckdiagonalen werden ausgewertet.

Welche Größe wird bei der Brinell-Prüfung unmittelbar am Eindruck gemessen? (Der Eindruckdurchmesser) (!Die bleibende Verlängerung einer Zugprobe) (!Die Kerbschlagarbeit) (!Die elektrische Leitfähigkeit)

Rückmeldung: Der Eindruckdurchmesser wird zusammen mit Prüfkraft und Kugeldurchmesser zur Bestimmung des HBW-Werts genutzt.

Was ist die zentrale Auswertegröße des Rockwell-Verfahrens? (Die bleibende Eindringtiefe nach festgelegten Laststufen) (!Die Länge der Zugprobe nach Bruch) (!Die Masse des Prüfkörpers) (!Die Fläche unter dem Kerbschlagdiagramm)

Rückmeldung: Rockwell arbeitet mit Eindringtiefe und skalenabhängigen Laststufen.

In welcher Einheit wird die aufgenommene Charpy-Kerbschlagarbeit typischerweise angegeben? (Joule) (!Megapascal) (!Millimeter) (!Grad Celsius)

Rückmeldung: Die erfasste Größe ist eine Energie, nicht direkt eine Spannung.

Welcher Mittelwert ergibt sich aus 182 HV, 185 HV und 187 HV? (184,7 HV) (!187,0 HV) (!182,0 HV) (!554,0 HV)

Rückmeldung: Addiere die drei Messwerte und teile durch die Anzahl drei; gib das Ergebnis sinnvoll gerundet an.

Was folgt aus einem synthetischen Härtemittelwert innerhalb einer Übungsgrenze? (Nur eine vorläufige rechnerische Übereinstimmung unter den Übungsannahmen) (!Eine automatisch rechtssichere reale Produktfreigabe) (!Ein Beweis für ausreichende Kerbschlagzähigkeit) (!Ein von der Härteskala unabhängiger Festigkeitsnachweis)

Rückmeldung: Die fachliche Bewertung benötigt passende Normen, Rückführbarkeit, Unsicherheit und eine Entscheidungsregel.

Memory

Finde die sechs passenden Begriff-Erklärung-Paare.

Zugfestigkeit	Höchste technische Zugspannung im Zugversuch
Elastizitätsmodul	Verhältnis von Spannungsänderung und elastischer Dehnungsänderung
Brucheinschnürung	Relative Abnahme des Querschnitts an der Bruchstelle
Brinellprüfung	Härteverfahren mit Hartmetallkugel und Eindruckdurchmesser
Vickersprüfung	Härteverfahren mit Diamantpyramide und Eindruckdiagonalen
Kerbschlagarbeit	Bei einer schlagartigen Kerbprüfung aufgenommene Energie

Drag and Drop

Ordne jedem Fachbegriff genau die passende sachliche Beschreibung zu.

Gesuchter Begriff	Passende Beschreibung
Ausgangsquerschnitt	Querschnittsfläche der Probe vor der Belastung
Höchstkraft	Größte während des Zugversuchs erfasste Kraft
Bruchdehnung	Relative bleibende Verlängerung der Probe nach dem Bruch
Spannweite	Differenz aus größtem und kleinstem Wert einer Messreihe
Härtevergleichsplatte	Referenzmittel zur Prüfung einer Härteprüfeinrichtung

Kreuzworträtsel

Zugversuch	Wie heißt das zerstörende Prüfverfahren zur Ermittlung von Zugfestigkeit und Dehnung?
Bruchdehnung	Wie heißt die relative bleibende Verlängerung nach dem Probenbruch?
Vickers	Welches Härteverfahren verwendet eine Diamantpyramide?
Brinell	Welches Härteverfahren misst die Größe eines Kugelabdrucks?
Kerbschlag	Welcher zweiteilige Begriff bezeichnet eine schlagartige Prüfung an gekerbten Proben? Gesucht ist sein erster Teil.
Elastizität	Wie heißt die Eigenschaft einer reversiblen Formänderung?

LearningApps

Suche hier nach passenden zusätzlichen Lernbausteinen; die Treffer sind fremde Inhalte und vor dem Einsatz von der Lehrkraft zu prüfen.

Lückentext

Die technische Spannung entsteht durch die Division der Kraft durch den ursprünglichen

.

Die Einheit Newton je Quadratmillimeter entspricht einem

.

Eine nach Entlastung zurückgehende Formänderung heißt

.

Die höchste technische Zugspannung heißt

.

Die 0,2-Prozent-Dehngrenze wird mit einer versetzten

ermittelt.

Die relative Verlängerung nach dem Bruch heißt

.

Bei Vickers werden die Eindruckdiagonalen einer

gemessen.

Beim Charpy-Versuch ist die gesuchte physikalische Größe eine

.

Die Differenz zwischen dem größten und kleinsten Messwert heißt

.

Eine reale Entscheidung benötigt zusätzlich eine begründete

.

Offene Aufgaben

Bearbeite genau die vier Aufgaben deines Niveaus und wechsle nach Rückmeldung ins nächste. Jede Aufgabe benötigt ein überprüfbares Produkt. Arbeite mit synthetischen Datensätzen und führe keine eigenständige Maschinenprüfung durch.

Leicht

Begriffslandkarte: Erstelle eine Mindmap mit Festigkeit, Steifigkeit, Härte und Zähigkeit, jeweils Definition und einem Beispiel; Musterkriterium: vier Begriffe eindeutig voneinander abgegrenzt.
Probenskizze: Zeichne eine Flachzugprobe mit b0, a0, L0 und Zugrichtung und markiere S0; Musterlösung: S0 = b0 · a0, alle Längen in mm.
Grundrechnung: Berechne die Spannung für 3600 N bei 12 mm²; Musterergebnis: 300 MPa mit Rechenweg und Einheit.
Verfahrenskarten: Erstelle drei digitale Steckbriefe zu Brinell, Vickers, Rockwell mit Eindringkörper und Messgröße; Musterkriterium: jeweils eindeutig richtige Zuordnung.

Standard

Kurvenanalyse: Skizziere aus einer beschrifteten Musterkurve elastischen Bereich, Rp0,2 und Rm; erläutere, warum der Offset nicht bei 0,2 % Gesamtdehnung liegt; Musterkriterium: korrekte Achsen und Unterscheidung.
Rechentabelle: Werte synthetische Daten mit Fm = 9600 N, b0 = 8 mm, a0 = 2 mm, L0 = 40 mm und Lu = 48 mm aus; Muster: Rm = 600 MPa, A = 20 %.
Härtevergleich: Erstelle eine Tabelle mit 190, 196, 194 und 200 HV. Bestimme Mittelwert und Spannweite und nenne eine Fehlerquelle; Muster: 195 HV, Spannweite 10 HV.
Entscheidungsplakat: Vergleiche Zug- und Kerbschlagprüfung für eine fiktive tiefgekühlte Halterung; Musterkriterium: Beanspruchungsart, Temperatur und Grenzen einer bloßen Rm-Bewertung erläutert.

Schwer

Prüfplanentscheidung: Entwirf für eine hypothetische Charge einen dokumentierbaren Prüfplan mit Zugprüfung, Härteprüfung, Identitätssicherung, Normrecherche und Zuständigkeiten; Musterkriterium: Reihenfolge, Messgrößen, Freigabegrenzen und Verantwortung plausibel.
Komplexer Modellfall: Prüfe alle Zahlen des fiktiven Falls P-ÜB-03, ergänze Z und E und schreibe eine begrenzte Bewertung; Musterwerte: Z = 38,0 %, E ungefähr 211 GPa und keine reale Freigabe.
Fehleranalyse: Beschreibe drei plausible Ursachen für unrealistische E- oder Härtewerte, deren Richtung und die geeigneten Prüfkontrollen; Musterkriterium: Prozentfehler, Oberflächenzustand und Referenzprüfung differenziert.
Transferbericht: Formuliere einen einseitigen synthetischen Prüfbericht mit Tabelle, Diagrammhinweis, Normrecherche, Datenrechten und Entscheidungsvorbehalt; Musterkriterium: Rückverfolgbarkeit, Einheiten und transparente Grenzen.

Erwartungshorizont und beispielhafte Lernprodukte

Leicht: Eine richtige Skizze zeigt b0, a0, L0, Kraftpfeile und S0 = b0 · a0. Der Steckbrief nennt Brinell–Kugel–Eindruckdurchmesser, Vickers–Diamantpyramide–Diagonalen und Rockwell–skalenabhängiger Eindringkörper–Eindringtiefe. Eine Antwort „Härte gleich Festigkeit“ ist fachlich falsch.

Standard: Das Musterblatt enthält Rm = 9600/(8 · 2) = 600 MPa und A = (48 − 40)/40 · 100 % = 20 %. Die Härteauswertung enthält Mittelwert (190 + 196 + 194 + 200)/4 = 195 HV, Spannweite 200 − 190 = 10 HV und den Hinweis, dass Streuung allein nicht die Messunsicherheit bestimmt. Die Skizze zur Dehngrenze ist zu beschriften.

Schwer: Das Musterprodukt ist ein gegliederter fiktiver Prüfbericht mit Auftragsdaten, Quellen und Stand, Probenidentifikation, Messwerttabelle, Berechnung, Fehlerhypothesen, Annahmeregel und dem ausdrücklichen Vermerk „keine reale Freigabe“. Beurteile mit dem 30-Punkte-Raster des Modellfalls; Vollpunkte nur bei fachlich korrekten Schritten mit Einheiten und Grenzen.

Lernkontrolle

Rechen- und Einheitenprüfung: Erkläre, weshalb 8500 N auf 25 mm² den Wert 340 MPa ergibt, und zeige eine typische Einheitenverwechslung.
Offset-Prinzip: Begründe anhand einer selbst beschrifteten Skizze, warum Rp0,2 weder Rm noch die Spannung bei 0,2 % Gesamtdehnung ist.
Verfahrensvergleich: Entscheide für eine fiktive kleine Oberflächenzone zwischen Vickers und Brinell und begründe den Einfluss der Eindruckgröße sowie der Prüfanweisung.
Transfer: Erkläre mit einem Beispiel, weshalb hohe Zugfestigkeit kein Ersatz für die Beurteilung des Verhaltens bei schlagartiger Belastung ist.
Qualitätskontrolle: Eine fiktive Serie ergibt 182, 185 und 187 HV. Erläutere, welche Aussage Mittelwert und Spannweite erlauben und welche Informationen zur Konformitätsentscheidung fehlen.
Fehlerdiagnose: Finde zwei mögliche Ursachen für einen um Faktor 100 zu kleinen E-Modul und priorisiere die Prüfung von Achsenbeschriftung, Dehnungsmessung und Probengeometrie.

Lernnachweis

Dein Portfolio enthält: (1) einen Prüfauftrag mit festgelegter fachlicher Frage und Zuständigkeitsgrenze, (2) eine fachlich beschriftete Proben- und Diagrammskizze, (3) eine selbst gerechnete Tabelle mit S0, Rm, Rp0,2, A und Härtemittel, (4) eine begründete Fehlerdiagnose mit mindestens drei möglichen Ursachen und (5) einen synthetischen Prüfbericht mit bedingter Bewertung. Als Kenntnisse belegst du Verfahrensunterschiede und Werkstoffbegriffe; als Fertigkeiten Rechnen, Diagrammlesen, Prüfdokumentation und Plausibilitätsprüfung; als Haltung sorgfältigen Umgang mit Sicherheit, Ungewissheit, Daten und Verantwortlichkeiten. Für jede Leistung werden fachliche Richtigkeit, Einheitentreue, Nachvollziehbarkeit und angemessene Quellen geprüft. Nutze das 30-Punkte-Raster im Modellfall für Selbst- und Partnerfeedback.

OER und Wikipedia

Berufliche Primärquellen (am 27.10.2026 geprüft):

KMK-Rahmenlehrplan Werkstoffprüfer/in, Lernfeld 3, S. 11 – Kompetenzziele und Unterrichtszeitrichtwert; amtliche Veröffentlichung, nicht automatisch eine offene Lizenz.
BIBB-Ausbildungsprofil Werkstoffprüfer/in, Fachrichtung Metalltechnik – Berufsinformation und Rechtsgrundlagen.
Ausbildungsordnung Werkstoffprüfer/in – Fachrichtungen und fachrichtungsspezifische Abschlussprüfungen (Fassung mit Änderung 2014).
Wikipedia: Zugversuch, Wikipedia: Kerbschlagbiegeversuch und Wikipedia: Härte – frei zugängliche Einstiegstexte, fachlich kritisch und gegen Normtexte prüfen.
Normfamilien zur Recherche in der jeweils anwendbaren Fassung: DIN EN ISO 6892-1 (metallischer Zugversuch), ISO 527 (Kunststoff-Zugversuch), ISO 6506 (Brinell), ISO 6507 (Vickers), ISO 6508 (Rockwell), ISO 148-1 (metallischer Kerbschlagbiegeversuch). Normtexte können urheberrechtlich geschützt sein; hier werden keine Normtexte reproduziert.

Geprüfte Wikimedia-Commons-Medien und Bildrechte: Die nachfolgenden Dateien sind mit Originalnamen eingebunden. Lizenzbedingungen gelten für die jeweiligen Dateien; für veränderte Fassungen wären Änderungen kenntlich zu machen.

Eingebundene Datei	Quelldatei und Beschreibung	Urheber	Rechte / Lizenznachweis
File:Universal testing machine.jpg	Universalprüfmaschine	Ganitz	CC BY-SA 4.0
File:Stress-strain curve.svg	Spannungs-Dehnungs-Diagramm	Sigmund	Public Domain
File:Eprouvette plate cassee profil.JPG	Gebrochene Zugprobe	Cdang	Public Domain
File:Charpy impact test sketch.svg	Charpy-Skizze	Matthias Döll	Public Domain
File:BrinellHardness.svg	Brinell-Prinzip	Lokilech und Nerdture	CC BY-SA 3.0
File:Vickers hardness.svg	Vickers-Schema	Freundchen	CC0 1.0
File:Rockwell hardness tester 001.jpg	Rockwell-Prüfmaschine	Three-quarter-ten	CC BY-SA 3.0 oder GFDL gemäß Dateiseite

Eingebettete Fachvideos, Rechte: Alle drei sind YouTube-Veröffentlichungen von MaterialsScience2000, fachlich verantwortet von Prof. Dr.-Ing. Rainer Schwab (Hochschule Karlsruhe). Sie sind nicht als OER lizenziert nachgewiesen; es handelt sich um Einbettungen externer Inhalte. Keine Übernahme oder Nachvertonung ohne eigene Rechtsprüfung. Sprache: Englisch.

Video-ID / Einbettungsadresse	Inhalt	Kanal / fachliche Verantwortung	Rechtehinweis
https://www.youtube.com/watch?v=RJXJpeH78iU	Brinell Hardness Test	MaterialsScience2000 / Rainer Schwab	Kanalveröffentlichung; keine offene Lizenz belegt
https://www.youtube.com/watch?v=7Z90OZ7C2jI	Vickers Hardness Test	MaterialsScience2000 / Rainer Schwab	Kanalveröffentlichung; keine offene Lizenz belegt
https://www.youtube.com/watch?v=G2JGNlIvNC4	Rockwell Hardness Test	MaterialsScience2000 / Rainer Schwab	Kanalveröffentlichung; keine offene Lizenz belegt

Verknüpfte Lernbereiche

Der Zusammenhang lautet: geeignete Werkstoffprüfung wählen, Probe und Prüfbedingungen dokumentieren, Kraft- und Längenwerte korrekt auswerten, Härtekennwerte nur verfahrensgebunden vergleichen, Messfehler analysieren und Ergebnisse unter ausdrücklichem Entscheidungsvorbehalt berichten. Dieses Lernfeld verbindet Physik, Mathematik, Technische Kommunikation, Qualitätsmanagement und Berufliche Bildung. Weiterführende bestehende Lernressourcen sind Materialprüfung und Werkstoffkunde und Werkstoffauswahl. Berufsportal: Ausbildung – Werkstoffprüfer. Weitere verwandte Lernfelder sind „Einflüsse chemischer und produktionstechnischer Prozesse auf die Werkstoffeigenschaften beurteilen“ und „Physikalische Werkstoffeigenschaften ermitteln und auswerten“; passende Kurse werden erst nach Prüfung ihrer konkreten Seitentitel intern verknüpft.