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Fachübungen 11 – Festigkeits- und Zähigkeitskennwerte durch Wärmebehandlungen gezielt einstellen - Werkstoffprüfer

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Einleitung

Du lernst im 3. Ausbildungsjahr des Berufs Werkstoffprüferin bzw. Werkstoffprüfer, wie Wärmebehandlungen die Festigkeit, Härte und Zähigkeit verändern und wie du das mit Messdaten begründest. Im KMK-Rahmenlehrplan heißt das Lernfeld 11 „Festigkeits- und Zähigkeitskennwerte durch Wärmebehandlungen gezielt einstellen“ und hat einen Zeitrichtwert von 100 Unterrichtsstunden. Unser Schwerpunkt sind sicher geplante, rechnerisch ausgewertete Fachübungen, Fehlerdiagnose, nachvollziehbare Prüfprotokolle und Entscheidungen anhand von Sollwerten.

Ausbildungsbezug: Die geltende Werkstoffprüfer-Ausbildungsordnung vom 25. Juni 2013, in Kraft seit 1. August 2013 und 2014 geändert, sieht 3,5 Ausbildungsjahre und die Fachrichtungen Metalltechnik, Kunststofftechnik, Wärmebehandlungstechnik und Systemtechnik vor. Die Abschlussprüfung besteht aus zwei zeitlich getrennten Teilen; konkrete Anforderungen hängen von der Fachrichtung ab. Hier werden keine unverifizierten Prüfungsgewichte, aktuellen Kammertermine oder Originalprüfungsaufgaben behauptet. Ausbildungsordnung · BIBB-Berufsprofil · KMK-Rahmenlehrplan, Lernfeld 11, S. 19.

Sicherheits- und Geltungsgrenze: Alle Messreihen, Grenzwerte, Probenbezeichnungen und Entscheidungen im Kurs sind synthetische Unterrichtsmodelle; sie sind keine Bauteil-, Chargen-, Anlagen- oder Maschinenfreigabe. Wärmeöfen, heiße Proben, Abschreckmedien, Druck- und Elektroanlagen, Chemikalien, Laser sowie zerstörende Werkstoffprüfungen dürfen ausschließlich fachlich qualifiziert angeleitet und nach betrieblicher Gefährdungsbeurteilung durchgeführt werden. Ohne solche Anleitung bearbeitest du Simulationen, Diagramme und bereitgestellte Messwerte.

Werkstoffgefüge und Zielkennwerte verstehen

Festigkeit, Härte und Zähigkeit unterscheiden

Festigkeit beschreibt Widerstand gegen mechanische Beanspruchung. Im Zugversuch ist die Zugfestigkeit Rm die größte Zugkraft Fm geteilt durch den Anfangsquerschnitt S0: Rm = Fm / S0. Mit N und mm² entsteht N/mm² = MPa. Die Streckgrenze beziehungsweise Dehngrenze kennzeichnet den Beginn bleibender Verformung. Eine hohe Zugfestigkeit garantiert weder gute Bruchdehnung noch hohe Kerbschlagarbeit.

Härte erfasst den Widerstand gegen das Eindringen eines Prüfkörpers unter genormten Prüfbedingungen. Bei Vickers wird der Eindruck mit zwei Diagonalen gemessen; ein HV-Wert muss samt Prüfkraft beziehungsweise Prüfbezeichnung, Prüfposition und Prüfverfahren dokumentiert werden. Zähigkeit meint die Fähigkeit, unter den jeweiligen Bedingungen Energie bis zum Bruch aufzunehmen. Der Kerbschlagbiegeversuch liefert beispielsweise die absorbierte Arbeit KV in Joule. Ein einzelner Kerbschlagwert ist kein allgemeingültiger Bruchzähigkeitskennwert; Prüftemperatur, Kerbe, Probengeometrie und Prüfvorschrift beeinflussen den Vergleich.

Kennwert	Einheit oder Schreibweise	Aussage	Typischer Denkfehler
Rm	MPa	Maximale technische Zugspannung	Mit Härte gleichsetzen
Rp0,2	MPa	Dehngrenze bei bleibender Dehnung von 0,2 %	Als maximale Zugspannung lesen
A	%	Bruchdehnung	Ohne Messlängenangabe vergleichen
HV	Härtekennwert mit Prüfbedingungen	Widerstand gegen Eindruckbildung	Verschiedene Prüfkräfte unkritisch mischen
KV	J	Im Kerbschlagversuch absorbierte Arbeit	Ohne Prüftemperatur und Probenart vergleichen

Phasen im Stahl und Gefüge-Eigenschafts-Beziehung

Im Eisen-Kohlenstoff-System kommen unter anderem Ferrit (relativ weich und verformbar), Austenit (kubisch-flächenzentrierte Hochtemperaturphase), Perlit (lamellares Ferrit-Zementit-Gemisch), Bainit und Martensit vor. Austenitisieren verändert das Ausgangsgefüge; hinreichend rasches Abkühlen geeigneter Stähle kann Martensit ausbilden. Dieser ist hart, kann aber im unangelassenen Zustand spröde und spannungsreich sein. Kohlenstoffgehalt, Legierung, Gefügegröße, Geometrie, Temperatur-Zeit-Verlauf und Oberflächenzustand müssen zusammen betrachtet werden.

Abbildung: Eisen-Kohlenstoff-Phasenbereiche für Stähle; die Beschriftung ist englisch. Das Gleichgewichtsdiagramm allein ersetzt kein Zeit-Temperatur-Umwandlungsdiagramm. Bild: Jon Peli Oleaga, CC BY-SA 4.0, Wikimedia Commons.

Mikrogefüge: Beispiel eines martensitischen nichtrostenden Stahls AISI 420; kein repräsentativer Sollzustand für alle härtbaren Stähle. Bild: Scheuera, Cardoso und Brunatto, CC BY 4.0, Wikimedia Commons.

Merksatz: „Sehr hart“ ist nicht automatisch „betriebssicher“. Die Zielgröße ist ein Eigenschaftsprofil mit ausreichend Festigkeit und Zähigkeit sowie geeignetem Härteverlauf.

Wärmebehandlungsverfahren zielgerecht auswählen

Härten, Anlassen und Vergüten

Beim Härten geeigneter Stähle werden Austenitisieren und ein zum Werkstoff passendes schnelles Abkühlen so kombiniert, dass eine Härtesteigerung durch Gefügeumwandlung entstehen kann. Beim Anlassen wird ein gehärteter Stahl erneut auf eine geeignete Temperatur unterhalb des Austenitbereichs erwärmt, gehalten und wieder abgekühlt: Spannungen und Gefüge ändern sich; häufig sinkt die Härte, während Zähigkeit zunimmt. Vergüten bezeichnet Härten mit nachfolgendem Anlassen zur abgestimmten Kombination von Festigkeit und Zähigkeit. Es gibt keine universelle Temperaturliste: Werkstoffzeugnis, Bauteilform, Norm und qualifizierte Prozessanweisung sind notwendig.

Kritische Unterscheidung: Ein schnellerer Abschreckvorgang führt nicht pauschal zum besseren Werkstück. Er kann Verzug, Risse und hohe innere Spannungen begünstigen. Ebenso ist „länger anlassen = immer zäher“ nicht allgemein richtig: einzelne Werkstoffe und Temperaturbereiche können Anlassversprödung zeigen.

Fachvideo (Englisch): Applied Science, „Intro to heat treatment of steel (hardening and tempering)“, 2013. Als Anschauung nutzen; konkrete Handlungen daraus nicht ohne fachkundige Anleitung nachmachen.

Randzonenbehandlung, Nitrieren und Ausscheidungshärtung

Wenn die Oberfläche verschleißbeständig und der Kern belastbar bleiben soll, eignen sich je nach Werkstoff und Auftrag Verfahren wie Induktionshärten, Flammhärten oder Laserstrahlhärten für lokal umgewandelte Randbereiche. Einsatzhärten kombiniert Kohlenstoffanreicherung der Randschicht mit anschließendem Härten. Nitrieren nutzt Stickstoffdiffusion und bildet abhängig von Werkstoff und Prozess eine harte Randschicht, ohne dass der Prozess grundsätzlich dem klassischen Abschreckhärten entspricht. Randhärte, Härteverlauf, Einhärtetiefe und mögliche Schichtsprödigkeit sind getrennt zu beurteilen.

Bei ausscheidungshärtbaren Aluminiumlegierungen kann eine Folge aus Lösungsglühen, geeignetem Abkühlen und Auslagern feine Ausscheidungen erzeugen, die Versetzungsbewegungen behindern. Zu frühe oder zu starke Ausscheidungsvergröberung kann die Festigkeit wieder verringern. Das ist nicht mit martensitischem Härten von Stahl identisch. Bei Kunststoffen und Elastomeren gehören je nach Stoffklasse Tempern, Nachhärten und Vulkanisieren zu den im Lernfeld behandelten Konzepten; chemische Vernetzung ist keine Austenit-Martensit-Umwandlung.

Schema (Englisch): Wärmebehandlungsfolge für eine Aluminiumlegierung 6061 als fachliche Illustration; keine freigegebene Prozessanweisung. Bild: Bob Clemintime, CC BY-SA 4.0, Wikimedia Commons.

Schema: Partikelgröße und Ausscheidungsverfestigung als qualitative Beziehung. Bild: Amandascamp und Michbich, gemeinfrei, Wikimedia Commons.

Erforderliches Eigenschaftsziel	Denkbares Verfahrensprinzip	Nötiger Nachweis
Hohe Härte auch im Kern	Durchhärtung geeigneter Stähle	Härteprofil, Gefüge und ergänzende Festigkeitsprüfung
Fest und zugleich ausreichend zäh	Vergüten	Zug- und Kerbschlagkennwerte bei dokumentierten Bedingungen
Verschleißfeste Oberfläche, zäher Kern	Randschichthärten oder thermochemisches Verfahren	Oberflächenhärte, Härteverlauf, Schichtanalyse
Höhere Streckgrenze geeigneter Aluminiumlegierung	Ausscheidungshärtung	Alterungszustand und mechanische Kennwerte
Stabilere vernetzte Polymere	Geeignetes Nachhärten oder Vulkanisieren	Rezepturbezogene Eigenschaftsprüfung

Diagramme lesen und Wärmebehandlungen planen

ZTU, Austenitisierung und Prozessdaten

Das Zeit-Temperatur-Umwandlungsdiagramm (ZTU) verknüpft Temperatur, Zeit und die Entstehung bestimmter Gefügebestandteile. Isotherme ZTU-Diagramme beschreiben die Umwandlung beim Halten auf einer Temperatur; kontinuierliche ZTU-Diagramme beziehen sich auf reale Abkühlverläufe. Beide dürfen nicht verwechselt werden. Ein Zeit-Temperatur-Austenitisierungs-Diagramm beschreibt die Bildung beziehungsweise Entwicklung des Austenits beim Erwärmen und Halten. Anlass- und Vergütungsschaubilder zeigen werkstoffspezifische Kennwertänderungen durch gewählte Anlassbedingungen.

ZTU-Abbildung (Englisch): Zwei Stahlzusammensetzungen mit verschiedenen Umwandlungsverläufen. Nicht ohne Werkstoffabgleich als Prozessvorgabe verwenden. Bild: Metallos, CC BY-SA 4.0, Wikimedia Commons.

Der typische digitale Planungsablauf für eine bloß simulierte Charge lautet: Werkstoff und Ausgangsgefüge identifizieren → Sollwerte und Prüfnorm bestimmen → geeignete Diagramme und mögliche Prozessprinzipien prüfen → Risiken und qualifizierte Freigabepunkte dokumentieren → synthetische Zeit-Temperatur-Reihe auswerten → Messung und Soll-Ist-Vergleich → Protokoll mit Unsicherheit und Entscheidung. Ein technischer Prozess wird erst durch autorisierte Fachkräfte anhand vollständiger Arbeitsunterlagen festgelegt.

Härtbarkeit, Jominy-Stirnabschreckprüfung und Störungsdiagnose

Härtbarkeit bezeichnet die Fähigkeit eines Stahls, bei bestimmten Abkühlbedingungen martensitisches Gefüge bis in eine gewisse Tiefe auszubilden; sie ist nicht dasselbe wie die maximal erreichbare Härte. Bei der Jominy-Stirnabschreckprüfung wird ein geeignetes Probestück an einem Ende abgeschreckt und die Härte entlang definierter Abstände untersucht. Der Härteverlauf hilft beim Vergleich der Härtbarkeit. Für konkrete Bauteile sind Größe, Form und Abschreckintensität zusätzlich zu berücksichtigen.

Schema (Englisch): Stirnabschreckprüfung mit Abstand vom gekühlten Ende. Bild: Lead holder, CC BY-SA 3.0, Wikimedia Commons.

Beispiel einer synthetischen Härtekurve: 2 mm → 52 HRC; 8 mm → 48 HRC; 16 mm → 39 HRC; 24 mm → 31 HRC. Die Härte nimmt mit größerem Abstand ab. Eine andere Legierung mit länger hohem Härtewert besitzt bei vergleichbaren Prüfbedingungen eine höhere Härtbarkeit; daraus folgt keine automatische Bauteilfreigabe.

Häufige Planungsfehler: falsch zugeordnetes Diagramm, fehlende Information zur Abkühlungsart, nicht dokumentierte Prüftemperatur, unbekannte Probendicke, Verwechslung von HRC und HV, ignorierte Entkohlung der Oberfläche sowie fehlende Trennung von Messwert und Prozesshypothese.

Prüfen, berechnen und Messunsicherheit beurteilen

Mechanische und materialografische Prüfwege

Die Wahl der Prüfmethoden richtet sich nach dem Auftrag: Zugversuch für Rm und Rp0,2, Härteprüfung für lokale Widerstände, Mikrohärte und Härteverlauf für Randschichten, Kerbschlagbiegeversuch für temperaturabhängige Kerbschlagarbeit sowie metallografische Schliffe für Gefügebilder. Ergänzend können Schichtdicken- und zerstörungsfreie Prüfungen notwendig sein. Bei jeder Messung dokumentierst du Probenkennzeichnung, Zustand, Normbezug, Gerät, Kalibrierstatus, Prüfkraft, Einheiten, Umgebungsbedingungen und den verantwortlichen Prüfschritt.

Schema: Geometrie der Vickers-Härteprüfung. Bild: Freundchen, CC0, Wikimedia Commons.

Schema: Pendelschlagwerk beim Kerbschlagbiegeversuch. Bild: Matthias Döll, gemeinfrei, Wikimedia Commons.

Fachvideo (Englisch): MaterialsScience2000 / Prof. Rainer Schwab, Hochschule Karlsruhe, „Charpy Impact Test“, 2013. Veranschaulicht Prinzip, Energieermittlung und Temperatureinfluss.

Rechenwege mit Einheiten und Plausibilitätskontrolle

Zugfestigkeit, Modellrechnung: Eine Probe mit Anfangsquerschnitt S0 = 50 mm² erträgt maximal Fm = 45 500 N. Dann ist Rm = 45 500 N / 50 mm² = 910 N/mm² = 910 MPa. Typischer Fehler: Den Durchmesser ungeprüft als Querschnittsfläche einsetzen; bei Rundproben gilt S0 = π · d0² / 4.

Vickers-Härte, Modellrechnung: Für das idealisierte Beispiel F = 294,2 N und mittlere Eindruckdiagonale d = 0,400 mm lautet die Näherungsformel HV = 0,1891 · F / d². Somit HV = 0,1891 · 294,2 / 0,160 = 347,7. Bei rund 294 N Prüfkraft entspricht das näherungsweise der Prüfbezeichnung HV 30. Das Ergebnis wird nach gültiger Prüfvorschrift und Rundungsregeln berichtet; diese Musterrechnung ersetzt keine kalibrierte Messung.

Mittelwert und Streuung: Für die Härtewerte 350, 358, 354 beträgt der Mittelwert (350 + 358 + 354) / 3 = 354 HV. Die Spannweite ist 358 − 350 = 8 HV. Die Stichprobenstandardabweichung beträgt s = Wurzel aus ((350 − 354)² + (358 − 354)² + (354 − 354)²) / (3 − 1) = 4 HV. Ein kleiner s-Wert allein belegt keine Messrichtigkeit: systematische Fehler oder ungeeignete Prüforte bleiben möglich.

Berufstypischer Modellfall, Fehlerdiagnose und Transfer

Prüfauftrag und synthetische Varianten

Eine fiktive Prüfstelle untersucht eine vergütbare Stahlprobe „WP-LF11-SYN“. Für eine im Unterricht fiktiv festgelegte Anwendung sollen HV 30 zwischen 330 und 380, Rm mindestens 900 MPa und KV mindestens 40 J vorliegen. Alle drei Merkmale müssen erfüllt sein; für KV gelten hier gedanklich identische Probengeometrie und Prüftemperatur. Die Grenzwerte sind keine Werkstoffnorm und keine Freigabevorschrift. Du erhältst drei fiktive Ergebnisgruppen, die aus unterschiedlichen simulierten Anlasszuständen stammen.

Variante	Härte HV 30	Zugfestigkeit Rm in MPa	Kerbschlagarbeit KV in J	Erste Beobachtung
A, sehr geringer Anlassanteil	468, 471, 474	1070, 1080, 1050	18, 21, 20	Hart, aber geringe Kerbschlagarbeit
B, Zwischenzustand	397, 401, 405	965, 960, 970	34, 36, 35	Härte und Kerbschlagarbeit außerhalb des Ziels
C, ausgewogener Zustand	350, 358, 354	900, 920, 910	42, 46, 44	Alle vorgegebenen Einzelwerte im Modellziel

Auswertung, Entscheidung und Musterprüfbericht

1. Datensichtung: Die Einheiten, drei Wiederholwerte und identischen gedachten Prüfumstände werden kontrolliert. Alle Rohwerte bleiben sichtbar; es wird nicht nur mit Mittelwerten entschieden.

2. Berechnung für C: mittlere Härte = 354 HV 30, Spannweite = 8 HV, Stichprobenstandardabweichung = 4 HV. Mittlere Zugfestigkeit = (900 + 920 + 910) / 3 = 910 MPa; s = 10 MPa. Mittlere Kerbschlagarbeit = (42 + 46 + 44) / 3 = 44 J; s = 2 J. Die niedrigsten Einzelwerte betragen 350 HV, 900 MPa und 42 J.

3. Soll-Ist-Entscheidung: Variante A verfehlt Härte- und Kerbschlagziel; B verfehlt sie ebenfalls. Variante C erfüllt im rein synthetischen Vergleich jedes vorgegebene Einzelwertkriterium. Daher wird C als beste Lernmodell-Variante ausgewählt. Dies ist keine reale Produktfreigabe, denn Probenumfang, Norm, Messunsicherheit, Prozessdaten, Bauteilgeometrie und Rückverfolgbarkeit wären im Betrieb zusätzlich festzulegen.

4. Plausible fachliche Erklärung: Der Übergang von A nach C passt qualitativ zu einer durch das Anlassen verbesserten Kombination aus Festigkeit und Zähigkeit bei abnehmender Härte. Eine gesicherte Ursachenbestimmung erfordert Gefügeanalyse und korrekt dokumentierte Wärmebehandlungsbedingungen; aus den Kennwerten allein ist der genaue Prozess nicht rekonstruierbar.

5. Musterarbeitsprodukt – Prüfvermerk: „Auftrag SYN-LF11, Proben A–C, Messwerte ausschließlich fiktiv. Vergleich mit didaktischen Zielgrenzen: C erfüllt 330–380 HV 30, Rm ≥ 900 MPa und KV ≥ 40 J in allen drei Wiederholungen. A und B nicht zielgerecht. Empfehlung: C für weiterführende Gefüge- und Unsicherheitsbetrachtung im Unterricht auswählen; kein Freigabevermerk für reale Bauteile.“ Ein guter Bericht nennt zusätzlich eine aussagekräftige grafische Darstellung, Prüfbedingungen, Zeichnungsbezug, Messmittel, Bearbeitungsdatum und unabhängige Gegenprüfung.

Bewertungsraster für den Modellfall

Fachkriterium	Volle Punktzahl, erwartete Leistung	Punkte
Zielanalyse	Alle drei Zielgrößen, Einheiten und Grenzen korrekt erkannt	3
Werkstoff- und Verfahrensbezug	Gefügewandel und Anlasswirkung differenziert begründet, keine erfundenen Prozessparameter	4
Fachrechnen	Härte-, Rm- und KV-Mittelwerte sowie Streuung nachvollziehbar mit Rechenweg	4
Entscheidung und Plausibilität	Alle Einzelwerte geprüft, Variantenvergleich und Unsicherheitsgrenzen nachvollziehbar	4
Fehlerdiagnose und Verbesserung	Zwei plausible Fehlerursachen und geeignete Prüfgegenmaßnahmen begründet	3
Dokumentation und Sicherheit	Synthetische Daten, fehlende reale Freigabe und Sicherheitsgrenzen ausdrücklich benannt	2
Gesamt	Musterlösung: bei vollständigem Nachweis	20

Bewertungsvorschlag: 18–20 Punkte = besonders sicher, 14–17 = sicher, 10–13 = mit Überarbeitungsbedarf, unter 10 = wesentliche Kriterien fehlen. Die Zuordnung ist ein didaktischer Vorschlag, kein offizieller Prüfungsmaßstab.

Fehlerbilder systematisch bearbeiten

Beobachtung	Mögliche Ursache (nur Hypothese)	Sinnvolle Nachprüfung
Oberfläche deutlich weicher als erwarteter Kern	Entkohlung oder fehlerhafte Oberflächenmessung	Präparation, Gefüge und Härte-Tiefen-Verlauf prüfen
Harte Oberfläche, weicher Kern	Unzureichende Durchhärtung oder bewusstes Randschichtverfahren	Werkstoff, Prozessprotokoll und Querprofil abgleichen
Hohe Härte, geringe Kerbschlagarbeit	Zu geringer Anlasszustand oder ungünstiges Gefüge	Normgerechte Vergleichsproben und Gefügeanalyse
Große Streuung der Härte	Uneinheitliches Gefüge, ungeeignete Messorte oder Messmittelfehler	Messstellenplan, Kalibrierung und Wiederholmessung
Verzug oder Risse	Abkühlspannungen, Geometrieeffekt oder ungeeignete Prozessführung	Rissprüfung, Geometrievergleich und Ursachenanalyse unter fachlicher Leitung

Bei jeder Abweichung trennst du Beobachtung, Vermutung, Nachweis, Entscheidung und Vorbeugung. Automatische Nachbehandlung ohne qualifizierte Entscheidung ist unzulässig. Energiebedarf, Ausschuss, Standzeit der Medien und recyclinggerechte Entsorgung gehören zur ökologischen Abwägung.

Interaktive Aufgaben

Multiple-Choice-Quiz: Teste dein Wissen

Welche Kennzahl stammt direkt aus maximaler Zugkraft geteilt durch Anfangsquerschnitt? (Rm) (!KV) (!HV) (!Bruchdehnung A)

Rückmeldung: Rm wird aus Fm durch S0 in MPa berechnet. KV beschreibt absorbierte Schlagarbeit und HV einen Härtewert.

Weshalb wird gehärteter Stahl häufig anschließend angelassen? (Um das Verhältnis aus Festigkeit und Zähigkeit gezielt anzupassen) (!Um immer die maximale mögliche Härte zu erreichen) (!Um jeden Stahl vollständig in Austenit umzuwandeln) (!Um die chemische Zusammensetzung beliebig zu verändern)

Rückmeldung: Anlassen verändert Spannungen und Gefüge; das gewünschte Eigenschaftsprofil ist entscheidend, nicht bloß der maximale Härtewert.

Welcher Befund belegt bei einer Probe am ehesten hohe Kerbschlagarbeit unter festgelegten Prüfbedingungen? (Ein hoher gemessener KV-Wert bei dokumentierter Prüftemperatur) (!Ein hoher HV-Wert allein) (!Ein kleiner Eindruckdurchmesser allein) (!Eine hohe Austenitisierungstemperatur allein)

Rückmeldung: Für den Vergleich sind insbesondere KV, Probenart, Kerbe und Prüftemperatur erforderlich.

Welche Aussage zur Härtbarkeit von Stahl ist richtig? (Sie betrifft die erreichbare Einhärtung bei gegebenen Abkühlbedingungen) (!Sie ist immer identisch mit der maximalen Härte) (!Sie ist allein aus der Oberflächenfarbe ablesbar) (!Sie nimmt in jedem Fall mit größerem Probendurchmesser zu)

Rückmeldung: Die Härtbarkeit wird unter anderem durch Härteverläufe aus der Stirnabschreckprüfung charakterisiert.

Was unterscheidet ein isothermes ZTU-Diagramm von einem kontinuierlichen ZTU-Diagramm? (Es betrachtet Umwandlungen bei einer konstant gehaltenen Temperatur) (!Es zeigt ausschließlich elektrische Widerstände) (!Es verwendet stets dieselben Kurven für alle Stähle) (!Es enthält keine Zeitabhängigkeit)

Rückmeldung: Für kontinuierliche Abkühlung muss ein dafür geeignetes Diagramm herangezogen werden.

Wodurch steigt bei geeigneten Aluminiumlegierungen die Festigkeit beim Auslagern? (Durch fein verteilte Ausscheidungen, welche die Versetzungsbewegung behindern) (!Durch die Bildung von Stahlmartensit in reinem Aluminium) (!Durch eine beliebig schnelle Kohlenstoffanreicherung) (!Durch vollständiges Verdampfen des Aluminiums)

Rückmeldung: Ausscheidungshärtung ist ein eigener Mechanismus; Überalterung kann die Verfestigung wieder reduzieren.

Wie groß ist Rm bei Fm gleich 45 500 N und S0 gleich 50 Quadratmillimetern? (910 MPa) (!91 MPa) (!2275 MPa) (!45500 MPa)

Rückmeldung: 45 500 durch 50 ergibt 910 N pro Quadratmillimeter; das entspricht 910 MPa.

Welcher Mittelwert gehört zu den HV-Messwerten 350, 358 und 354? (354) (!350) (!358) (!1062)

Rückmeldung: Die Summe 1062 wird durch drei Messwerte dividiert; Spannweite und Mittelwert sind unterschiedliche Kennzahlen.

Welche Variante erfüllt im synthetischen Modellfall alle Einzelwertgrenzen? (Variante C) (!Variante A) (!Variante B) (!Keine Variante trotz erfüllter Grenzwerte)

Rückmeldung: C besitzt Einzelwerte innerhalb der vorgegebenen Härte-, Festigkeits- und Zähigkeitsgrenzen; dies ist nur eine didaktische Entscheidung.

Welche Maßnahme ist bei unerwartet großer Streuung zuerst fachlich sinnvoll? (Messstellen und Prüfbedingungen kontrollieren sowie gezielt nachprüfen) (!Sofort reale Bauteile ohne Freigabe nachbehandeln) (!Ausreißer ohne Dokumentation löschen) (!Nur den günstigsten Einzelwert berichten)

Rückmeldung: Nachvollziehbarkeit und Ursachenprüfung haben Vorrang. Wiederholungen ersetzen keine Prüfung systematischer Fehler.

Memory: Begriffe zuordnen

Austenit	Hochtemperaturphase von Eisen mit kubisch flächenzentrierter Struktur
Martensit	Rasch entstandenes hartes Gefüge geeigneter abgeschreckter Stähle
Vergüten	Härten mit anschließendem gezieltem Anlassen
Härtbarkeit	Fähigkeit zur Einhärtung in Abhängigkeit von Abkühlbedingungen
Kerbschlagarbeit	Bei einem genormten Schlagversuch absorbierte Energie
Ausscheidungshärtung	Verfestigung durch fein verteilte Teilchen in der Matrix

Drag-and-Drop: Verfahren und Prüfziel

Ordne die passende Bezeichnung zu.	Fachliche Zuordnung
Anlassen	Nach dem Härten Spannungen und Eigenschaftskombination gezielt verändern
Nitrieren	Randzone durch Stickstoffeinwirkung verändern
Stirnabschreckprüfung	Härtbarkeit entlang eines Probenabstands charakterisieren
Vickersprüfung	Härte aus Prüfkraft und Eindruckgeometrie ermitteln
Kerbschlagbiegeversuch	Absorbierte Schlagarbeit einer gekerbten Probe bestimmen

Kreuzworträtsel

Austenit	Welche Hochtemperaturphase bildet sich beim Austenitisieren geeigneter Stähle?
Martensit	Welches harte Gefüge kann beim raschen Abschrecken entstehen?
Anlassen	Wie heißt die Wärmebehandlung, die häufig nach dem Härten folgt?
Vergüten	Wie heißt die Kombination aus Härten und anschließendem Anlassen?
Nitrieren	Welches Verfahren bringt Stickstoff in eine Randzone ein?
Zähigkeit	Welche Werkstoffeigenschaft betrifft die Fähigkeit zur Energieaufnahme bis zum Bruch?

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Separater Lückentext

Die maximale technische Zugspannung im Zugversuch heißt

.

Die Vickersprüfung bestimmt die

über eine definierte Eindruckgeometrie.

Ein besonders harter Gefügebestandteil nach geeignetem Abschrecken ist

.

Das erneute Erwärmen eines gehärteten Stahls in einem geeigneten Bereich nennt man

.

Beim Vergüten soll neben hoher Festigkeit auch ausreichende

erhalten werden.

Das Zeit-Temperatur-Umwandlungsdiagramm wird kurz als

bezeichnet.

Die Stirnabschreckprüfung untersucht die

.

Feine Teilchen können eine Aluminiumlegierung durch

verfestigen.

Die durchschnittliche Härte von 350, 358 und 354 beträgt

.

Synthetische Unterrichtsdaten berechtigen niemals zu einer realen

.

Offene Aufgaben

Bearbeite die Übungen ohne eigenständige Durchführung gefährlicher Arbeiten. Abbildungen, Prozessskizzen und Diagramme sind erlaubte digitale Arbeitsprodukte. Alle selbst erfundenen Messwerte sind als synthetisch zu kennzeichnen.

Leicht

Fachwortkarte: Erstelle eine Karte zu Rm, HV, KV und A mit Bedeutung, Einheit beziehungsweise Prüfbezeichnung sowie einer häufigen Verwechslung.
Gefügeskizze: Zeichne ein eigenes schematisches Bild mit Ferrit, Perlit, Austenit und Martensit; beschrifte, welche Umwandlungen Wärmebehandlungen beeinflussen.
Prozessvergleich: Vergleiche Härten, Anlassen und Vergüten anhand von Ziel, Gefügeeffekt und erforderlichem Prüfnachweis.
Messdaten ordnen: Übertrage die synthetischen Werte der Variante C mit Einheiten in eine übersichtliche Rohdatentabelle.

Standard

Zugfestigkeit berechnen: Ermittele für eine synthetische Zugprobe mit 52 000 N Maximalkraft und 65 mm² Anfangsfläche die Zugfestigkeit und prüfe die Einheit.
Härte auswerten: Berechne für die drei Härtewerte 350, 358 und 354 Mittelwert, Spannweite und Stichprobenstandardabweichung und kommentiere die Aussagegrenzen.
Härteverlauf visualisieren: Erstelle ein Diagramm aus 2, 8, 16 und 24 mm sowie 52, 48, 39 und 31 HRC; erkläre den Trend ohne unzulässige Bauteilfreigabe.
Verfahren auswählen: Ordne drei fiktiven Aufträgen mit hoher Kernhärte, verschleißfester Randschicht und ausscheidungsgehärteter Aluminiumlegierung passende Verfahrensprinzipien und Nachweise zu.

Schwer

Variantenentscheidung: Verfasse einen Soll-Ist-Bericht für A, B und C, der sämtliche Einzelgrenzen, Mittelwerte und Unsicherheitshinweise berücksichtigt.
Ursachenbaum: Untersuche die fiktive Abweichung „Härteoberfläche niedrig, Kern hoch“ anhand von mindestens drei konkurrierenden Hypothesen und Prüfentscheidungen.
Digitaler Prüfplan: Entwirf ein datensparsames Tabellenblatt mit Eingabekontrolle, Grenzwertvergleich, Warnhinweisen, Diagrammen und gesperrtem realem Freigabefeld.
Werkstofftransfer: Vergleiche martensitisches Härten, Ausscheidungshärten und Polymer-Nachhärten anhand von Mikrostruktur, Risiken, Prüfmethoden und Energiebedarf.

Lösungsanker und Musterarbeitsprodukte für die offenen Aufgaben

Aufgabe	Erwarteter Lösungsanker oder Musterprodukt
Leicht 1	Vier Fachwortkarten; beispielsweise Rm in MPa und KV in J, kein ungeprüfter Kennwertvergleich
Leicht 2	Beschriftete qualitative Skizze; Perlit als Gefügebestandteil und Austenit als Phase unterschieden
Leicht 3	Vergleichstabelle mit Härten, Anlassen, Vergüten und passender Prüfmethodik
Leicht 4	Drei sauber gekennzeichnete Zeilen 350, 358, 354 HV 30 sowie zugehörige Rm- und KV-Reihen
Standard 1	Rm = 52 000 / 65 = 800 MPa, Rechenweg und Einheit korrekt
Standard 2	Mittelwert 354 HV, Spannweite 8 HV, Stichproben-s = 4 HV und Hinweis auf systematische Fehler
Standard 3	Achsen „Abstand in mm“ und „HRC“ sowie abfallende Kurve, Härtbarkeit statt maximaler Härte erklärt
Standard 4	Werkstoffabhängige Auswahl mit Härteprofil, Schichtprüfung oder Ausscheidungszustand als Nachweis
Schwer 1	Variante C als didaktische Zielerfüllung, A und B verfehlen Grenzen, kein echter Freigabevermerk
Schwer 2	Beobachtung, Hypothesen Entkohlung und Messfehler, Gegenprüfungen und Entscheidung getrennt
Schwer 3	Tabellenblatt mit Prüfbedingungen, Einzelwertprüfung, Quellennachweis und Warnung „Simulation“
Schwer 4	Vergleichsmatrix zu Stahl, Aluminium und Polymer samt Grenzen der Übertragbarkeit

Fachliches Feedback: Vergleiche dein Produkt mit (1) Fachrichtigkeit, (2) Rechenweg, (3) Einheiten, (4) Plausibilität, (5) Dokumentation und (6) Sicherheitsgrenze. Begründe jede Korrektur anhand einer Datenstelle oder einer überprüfbaren Quelle.

Lernkontrolle

Zusammenhang erklären: Erkläre, warum zwei Proben dieselbe mittlere Härte besitzen, aber unterschiedliche Kerbschlagarbeiten haben können; nenne mindestens zwei unabhängige Einflussgrößen.
Diagrammtransfer: Erläutere, weshalb sich ein isothermes ZTU-Diagramm nicht unverändert für jede kontinuierliche Abkühlkurve eignet.
Grenzfall prüfen: Ersetze den KV-Einzelwert 42 J in Variante C hypothetisch durch 38 J. Entscheide unter den Modellgrenzen neu und begründe, warum der Mittelwert allein nicht genügt.
Messfehler bewerten: Diskutiere, wie eine falsche Eindruckablesung die berechnete Vickers-Härte beeinflusst, und nutze die quadratische Abhängigkeit vom Diagonalmaß.
Prüfstrategie entwerfen: Begründe für ein fiktives einsatzgehärtetes Bauteil eine kombinierte Bewertung aus Härteverlauf, Gefüge, Kernfestigkeit und möglichen Schädigungen.
Nachhaltigkeit abwägen: Vergleiche zwei hypothetische Wärmebehandlungsvarianten nach Energiebedarf, Ausschusswahrscheinlichkeit, Prozessqualität und Sicherheitsaufwand; mache Annahmen transparent.

Musterhinweise: Zu 1 gehören Gefüge, Kerbe, Temperatur und Spannungszustand. Zu 2 gehören Haltebedingungen und Abkühlraten. Zu 3 verfehlt C dann das KV-Einzelkriterium. Zu 4 erhöht eine kleinere gemessene Diagonale rechnerisch den HV-Wert. Zu 5 sind Rand- und Kernmessungen zu trennen. Zu 6 dürfen weder Energiesparpotential noch Härtesteigerung eine fehlende Sicherheitsbewertung ersetzen.

Lernnachweis

Erstelle ein Portfolio „LF 11 – synthetische Wärmebehandlungsanalyse“ mit einer kommentierten Gefüge- und Verfahrensübersicht, einem ZTU-Schaubild mit Quellenangabe, dem vollständigen Prüfbericht zum Modellfall A–C, einer nachrechenbaren Tabelle für Rm, HV, KV, Mittelwerte und Streuung sowie einem dokumentierten Fehlerdiagnosebaum. Die Abschlussreflexion soll mindestens eine alternative Erklärung, eine fachliche Unsicherheit, eine Nachhaltigkeitsabwägung und die Grenzen einer realen Freigabe nennen.

Nachweis	Prüfkriterium	Mindeststandard
Wissen	Verfahrensprinzipien und Gefügebegriffe	Physikalisch richtig, Stahl und Aluminium unterschieden
Fachrechnen	Formeln, Rohdaten und Einheiten	Jeder berechnete Wert rückrechenbar
Prüfpraxis als Simulation	Prüfplan und dokumentierte Prüfbedingungen	Norm- und Bedingungsbezug sichtbar
Urteilskompetenz	Soll-Ist- und Plausibilitätsentscheidung	Einzelwerte und Unsicherheiten berücksichtigt
Transfer	Fehleranalyse und ökologische Abwägung	Konkurrierende Ursachen und Prüfwege benannt

Der Lernnachweis dient der fachlichen Rückmeldung. Er ist keine Bescheinigung über Maschinenbedienkompetenz, normgerechte Durchführung am Arbeitsplatz oder eine offizielle Kammerprüfung.

OER und Wikipedia

Fachquellen und Rechtsstand:

KMK: Rahmenlehrplan Werkstoffprüfer, Lernfeld 11, Seite 19 – amtliche inhaltliche Grundlage.
BIBB: Werkstoffprüfer/in, Ausbildungsberuf und Fachrichtungen – Berufsinformation.
Werkstoffprüfer-Ausbildungsordnung, konsolidiert – Ausbildungsbeginn und fachrichtungsspezifische Prüfungsstruktur.
Wikipedia: Wärmebehandlung – frei lizenziertes Nachschlageangebot; Aussagen anhand von Fachquellen prüfen.
Wikipedia: Härten von Eisenwerkstoffen – ergänzende Begriffe und Mechanismen.

Eingebetteter Wikipedia-Überblick (deutsch):

Bildnachweise und Nutzungsrechte: Dateien wurden auf ihren Wikimedia-Commons-Beschreibungsseiten zu Thema und Lizenz geprüft. Ein Hinweis auf Commons bedeutet nicht, dass jede Datei automatisch auf MOOCwiki lokal gespeichert ist. Englische und andere Sprachbeschriftungen werden oben kenntlich gemacht.

Originaldatei	Nachgewiesene Fundstelle	Urheber	Nachgewiesenes Recht
File:Steel Fe-C phase diagram-en.png	Commons-Bildseite	Jon Peli Oleaga	CC BY-SA 4.0
File:Microstructure of martensitic stainless steel AISI 420.jpg	Commons-Bildseite	Cristiano José Scheuera, Rodrigo Perito Cardoso, Silvio Francisco Brunatto	CC BY 4.0
File:6061 Aluminum Heat Treating Process.svg	Commons-Bildseite	Bob Clemintime	CC BY-SA 4.0
File:Strengthening new.svg	Commons-Bildseite	Amandascamp, Vektorfassung Michbich	Gemeinfrei laut Dateiseite
File:T-T-T-diagram.svg	Commons-Bildseite	Metallos	CC BY-SA 4.0
File:Jominy-test.svg	Commons-Bildseite	Lead holder	CC BY-SA 3.0
File:Vickers hardness.svg	Commons-Bildseite	Freundchen	CC0
File:Charpy impact test sketch.svg	Commons-Bildseite	Matthias Döll	Gemeinfrei laut Dateiseite

Videoquellen: Applied Science: Intro to heat treatment of steel und MaterialsScience2000 / Hochschule Karlsruhe: Charpy Impact Test. Die Videos werden vom jeweiligen Urheberkanal angeboten und hier nur eingebettet/verlinkt; keine offene Nachnutzungslizenz behauptet. Keine Sofatutor-Inhalte. Für eigene Weiterverarbeitung sind die jeweiligen Rechte zu klären.

Verknüpfte Lernbereiche

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Lernfeld-Nachbarschaft: Vertiefe die Grundlagen aus Lernfeld 6: Gleichgewichtsnahe Wärmebehandlungen, Lernfeld 8: Gefüge beurteilen und Lernfeld 3: Festigkeits- und Härteprüfung. Die Linkziele dienen als thematische Lernnavigation; der tatsächliche Veröffentlichungsstand weiterer Einzelkurse ist jeweils zu prüfen.