T9 M - Werkstoffe prüfen und vergleichen

T9 M - Werkstoffe prüfen und vergleichen

Werkstoffe werden in technischen Produkten nicht nach Gefühl ausgewählt. Sie werden geprüft, gemessen und verglichen. In diesem aiMOOC lernst Du, einfache Werkstoffprüfungen zu planen, gleiche Versuchsbedingungen einzuhalten, Messwerte auszuwerten und eine technische Werkstoffwahl mit Daten zu begründen.

Zielgruppe: Klasse 9, M-Niveau, Technik in Baden-Württemberg.

Prüfungsfokus: Du kannst Messdaten lesen, Fehler in Versuchen erkennen und aus Anforderungen einen passenden Werkstoff bestimmen.

Sicherheitsregel

Praxis nur nach schulischer Unterweisung, mit Aufsicht und erforderlicher Schutzausrüstung. Nutze keine gefährlichen Maschinen eigenständig. Keine Netzspannung. Elektrische Versuche sind nur mit freigegebenen Komponenten und sicherer Kleinspannung zulässig. Bruchversuche im Unterricht nur an ungefährlichen, von der Lehrkraft ausgewählten Proben. Keine Glasproben, keine scharfkantigen Bruchstücke und keine improvisierten Schlagversuche.

Kompetenzbezug Baden-Württemberg

Der Bildungsplan für das Wahlpflichtfach Technik in der Sekundarstufe I verbindet Werkstoffe mit technischem Planen, Experimentieren, Dokumentieren und Bewerten. Für das M-Niveau ist besonders wichtig, grundlegende Eigenschaften von Holz, Kunststoff und Metall zu beschreiben und ihre Eignung für Produkte zu begründen.

Dieser aiMOOC trainiert dazu besonders:

1. Technische Experimente: Versuche planen, durchführen und auswerten.
2. Messwerte: Daten erfassen, in Tabellen ordnen und in Diagrammen darstellen.
3. Werkstoffauswahl: Werkstoffe anhand überprüfbarer Anforderungen vergleichen.
4. Sicherheit: Regeln beachten und Risiken vor dem Versuch erkennen.
5. Dokumentation: Vorgehen, Beobachtungen, Messwerte und Ergebnis nachvollziehbar festhalten.

Bildungsplan-Quelle: Werkstoffe und Produkte – Technik, Sekundarstufe I, Baden-Württemberg

Grundbegriffe

Fachbegriff	Kurze Erklärung	Woran erkennst Du ihn?
Werkstoffprüfung	Geplantes Prüfen von Werkstoffeigenschaften unter festgelegten Bedingungen.	Es gibt eine Prüffrage, einen Aufbau, Messwerte und eine Auswertung.
Belastung	Eine Kraft oder Beanspruchung wirkt auf eine Probe.	Die Probe wird zum Beispiel gezogen, gedrückt oder gebogen.
Verformung	Form oder Abmessung einer Probe ändern sich durch Belastung.	Eine Länge, Durchbiegung oder Eindringtiefe verändert sich.
Bruch	Die Probe versagt und trennt sich ganz oder teilweise.	Riss, Trennung oder sichtbare Bruchstelle.
Härte	Widerstand eines Werkstoffs gegen das Eindringen eines härteren Körpers.	Bei gleichen Prüfbedingungen bedeutet ein kleinerer Eindruck meist einen höheren Eindringwiderstand.
Elastizität	Fähigkeit, nach Entlastung wieder in die ursprüngliche Form zurückzukehren.	Nach dem Wegnehmen der Belastung bleibt möglichst wenig bleibende Verformung.
Messwert	Gemessene Zahl mit Einheit.	Zum Beispiel 4,2 mm, 6 N oder 12 s.

Merksatz: Ein Eindruck wie „fühlt sich hart an“ ist subjektiv. Ein Wert wie „Eindrucktiefe 0,6 mm bei gleicher Prüfkraft“ ist messbar.

Belastungsbilder verstehen

Belastungsart	Einfaches Belastungsbild	Typische Beobachtung
Zug	← [ Probe ] →	Die Probe wird länger.
Druck	→ [ Probe ] ←	Die Probe wird kürzer oder breiter.
Biegung	▲──────↓ F──────▲	Die Probe biegt sich durch.
Torsion	↺ [ Probe ] ↻	Die Probe wird verdreht.
Schlag	→ ● [ Probe ]	Sehr schnelle Belastung; im Unterricht nur beobachten oder simulieren.

Aufgabe am Belastungsbild: Zeichne bei Zug, Druck und Biegung die Kraftrichtung mit Pfeilen ein. Markiere anschließend die Stelle, an der Du die Verformung messen würdest.

Medienbeobachtung: Universalprüfmaschine

Bildlegende: Eine Universalprüfmaschine kann je nach Aufbau Zug-, Druck- oder Biegebelastungen erzeugen. Solche Maschinen gehören in geschulte Hände.

Untersuche das Bild:

1. Markiere in einer eigenen Skizze den Bereich, in dem eine Probe eingespannt wird.
2. Zeichne mögliche Kraftrichtungen ein.
3. Erkläre, warum eine Maschine für vergleichbare Prüfungen Kraft und Weg kontrolliert erfassen muss.

Bildlegende: Beispiel einer Druckprüfung in einer Universalprüfmaschine. Beobachte die Richtung der Belastung und die Position der Probe.

Faire Vergleiche: gleiche Versuchsbedingungen

Wenn Du zwei Werkstoffe vergleichst, darf sich möglichst nur eine entscheidende Größe ändern: der Werkstoff. Andere Bedingungen bleiben gleich.

Bedingung	Muss gleich bleiben, weil …
Probenlänge	eine längere Probe sich oft stärker verformen kann.
Probenbreite	eine breitere Probe meist mehr Last aufnehmen kann.
Probendicke	schon kleine Dickenunterschiede die Biegung stark verändern können.
Auflageabstand	ein größerer Abstand die Durchbiegung verändert.
Belastungsstelle	eine mittige und eine randnahe Belastung nicht vergleichbar sind.
Prüfkraft	sonst nicht derselbe Belastungszustand vorliegt.
Messmethode	verschiedene Lineale, Blickwinkel oder Nullpunkte zu unterschiedlichen Messwerten führen können.
Belastungsdauer	manche Werkstoffe verändern sich mit der Zeit unter Last.

Kontrollregel: Erst Bedingungen festlegen, dann messen.

Fehlerbild: Welcher Vergleich ist unfair?

Probe	Breite	Dicke	Auflageabstand	Kraft	Durchbiegung
A	20 mm	2 mm	150 mm	4 N	5,2 mm
B	20 mm	3 mm	150 mm	4 N	2,1 mm

Frage: Darfst Du aus diesen Daten schließen, dass Werkstoff B steifer ist?

Hilfe
Prüfe zuerst, ob die Geometrie beider Proben gleich ist.

Lösung und Feedback
Nein. Die Dicke ist verschieden. Der Werkstoff wurde nicht unter gleichen Bedingungen verglichen. Ein kleinerer Messwert bei B kann durch die größere Dicke verursacht sein.

Vom Gefühl zum Messwert

Du bekommst drei gleich große, mit A, B und C codierte Proben.

Phase 1 – subjektiv: Du schätzt mit der Hand, welche Probe „steif“ oder „weich“ wirkt.

Phase 2 – messend: Die Proben werden mit gleicher Geometrie, gleichem Auflageabstand und gleicher Kraft geprüft.

Probe	Subjektiver Eindruck	Durchbiegung bei 4 N	Messbasierte Aussage
A	„fühlt sich eher weich an“	2,4 mm	geringste Durchbiegung; im Vergleich am steifsten
B	„wirkt hart“	6,1 mm	mittlere Durchbiegung
C	„wirkt leicht und fest“	12,0 mm	größte Durchbiegung; im Vergleich am wenigsten steif

Auswertung: Der subjektive Eindruck war nicht zuverlässig. Erst die Messung unter gleichen Bedingungen erlaubt einen belastbaren Vergleich.

Wichtig: Härte und Steifigkeit sind nicht dasselbe. Eine Oberfläche kann hart sein, obwohl sich das ganze Bauteil deutlich biegt.

Einfacher vergleichender Biegetest

Der folgende Aufbau ist ein schulischer Vergleichstest. Er ersetzt keinen genormten Werkstoffversuch.

Bildlegende: Beim Drei-Punkt-Biegen liegt die Probe auf zwei Auflagen. Die Belastung wirkt in der Mitte.

Seitenansicht

Auflage                         Auflage
   ▲──────────────┬──────────────▲
                  ↓ F
                Messpunkt

Messgröße: Durchbiegung in der Mitte

Geeignete Schulausstattung: von der Lehrkraft vorbereitete, kantenarme Proben; Lineal oder Messuhr; markierte Auflagen; freigegebener Federkraftmesser.

Versuchsbedingungen festlegen:

Größe	Beispiel
Probenlänge	für alle Proben gleich
Breite	für alle Proben gleich
Dicke	für alle Proben gleich
Auflageabstand	fest markieren
Belastungsstelle	genau in der Mitte
Kraftstufen	vorher festlegen
Messpunkt	genau unter der Mitte

Sicherheitsgrenze: Die Lehrkraft legt Proben und maximale Kraft so fest, dass der Versuch im elastischen oder ungefährlichen Bereich bleibt. Keine improvisierte Prüfung bis zum Bruch mit Metall, Glas oder spröden Kunststoffen.

Simulationsdaten zum Biegetest

Die folgenden Werte sind didaktische Simulationswerte. Sie sind keine Werkstoffkennwerte für einen realen Werkstoff.

Kraft	Probe A	Probe B	Probe C
0 N	0,0 mm	0,0 mm	0,0 mm
2 N	1,2 mm	3,0 mm	6,0 mm
4 N	2,4 mm	6,1 mm	12,0 mm
6 N	3,6 mm	9,0 mm	18,4 mm

Durchbiegung
20 mm |                         C ●
18 mm |                       /
16 mm |                     /
14 mm |                   /
12 mm |              C ●
10 mm |                    B ●
 8 mm |                 /
 6 mm |       C ●    B ●
 4 mm |              A ●
 2 mm | B ●    A ●
 0 mm |●____________________________ Kraft
       0       2       4       6 N

Messdaten lesen:

1. Bei gleicher Kraft verformt sich A am wenigsten.
2. B liegt zwischen A und C.
3. C zeigt die größte Durchbiegung.
4. Für ein Bauteil, das sich wenig biegen soll, wäre A nach diesem Kriterium günstiger.

Medienbeobachtung: realer Biegeversuch

Bildlegende: Reale Drei-Punkt-Biegeprüfung an einer Prüfmaschine.

Beobachtungsauftrag:

1. Finde die beiden Auflagen.
2. Finde den Punkt der Krafteinleitung.
3. Vergleiche den realen Aufbau mit der schematischen Darstellung.
4. Nenne zwei Bedingungen, die bei einem Materialvergleich gleich bleiben müssen.

Elastizität prüfen

Elastisch bedeutet: Nach dem Entlasten nähert sich die Probe wieder ihrer Ausgangsform.

Nicht verwechseln: Ein Werkstoff kann sich unter Last stark biegen und trotzdem elastisch zurückkehren. Große Verformung bedeutet also nicht automatisch geringe Elastizität.

Vorher          Belastet          Entlastet

────────        ────∪────         ────────
0 mm            8 mm              0,2 mm Rest

Ein einfacher schulischer Vergleich kann die bleibende Verformung nach einer festgelegten Belastung messen.

Probe	Durchbiegung unter 6 N	Restverformung nach Entlastung	Deutung
A	3,6 mm	0,0 mm	sehr gute Rückkehr im Versuch
B	9,0 mm	0,2 mm	fast vollständige Rückkehr
C	18,4 mm	0,1 mm	starke Verformung, aber ebenfalls gute Rückkehr

Prüfungsfalle: C ist in diesem Beispiel nicht „unelastisch“. C verformt sich stark, kehrt aber fast vollständig zurück. Das beschreibt hohe Nachgiebigkeit bei guter elastischer Rückkehr.

Härte untersuchen

Bei vielen Härteprüfungen wird ein Prüfkörper mit festgelegter Kraft in die Oberfläche gedrückt. Größe oder Tiefe des Eindrucks wird ausgewertet.

Bildlegende: Prinzip der Brinell-Härteprüfung mit Kugel und Eindruck. Das Verfahren ist genormt und wird mit definierter Prüfkraft, Prüfkörper und Auswertung durchgeführt.

Bildlegende: Sichtbarer Eindruck einer Brinell-Härteprüfung.

Medienauftrag:

1. Markiere Kugel, Prüfkraft und Eindruck in einer eigenen Skizze.
2. Erkläre: Warum reicht „mit dem Fingernagel drücken“ nicht für einen fairen technischen Vergleich?
3. Erkläre: Warum darfst Du aus einem Foto ohne Maßstab keine genaue Eindruckgröße bestimmen?

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Videoauftrag: Beobachte nur das Prüfprinzip. Notiere Prüfkörper, Belastung und Messgröße. Führe das industrielle Verfahren nicht selbstständig nach.

Sicheres Schulmodell zur Eindruckprüfung

Das folgende Verfahren ist nur ein Vergleichsmodell, keine Brinell-, Rockwell- oder Vickersprüfung.

Die Lehrkraft stellt weiche, ungefährliche Schulproben und einen stumpfen Prüfkörper bereit. Prüfkörper, Kraft, Belastungszeit und Messmethode bleiben gleich.

Probe	Eindrucktiefe bei gleicher Prüfbedingung	Vergleichsaussage
P	0,4 mm	höchster Eindringwiderstand der drei Proben
Q	0,9 mm	mittlerer Eindringwiderstand
R	1,6 mm	geringster Eindringwiderstand

Achtung bei der Sprache: Schreibe nicht „P hat 0,4 mm Brinellhärte“. Das wäre fachlich falsch. Es handelt sich um eine Eindrucktiefe in einem nicht genormten Schulvergleich.

Shore-Durometer beobachten

Bildlegende: Ein Shore-Durometer dient zur Härteprüfung bestimmter Werkstoffgruppen. Die Messskalen und Prüfbedingungen hängen vom Verfahren ab.

Fehler-finden-Auftrag: Eine Gruppe drückt ein Messgerät bei Probe 1 fünf Sekunden und bei Probe 2 zwanzig Sekunden auf. Erkläre, warum der Vergleich problematisch ist.

Zugversuch, Verformung und Bruch

Beim technischen Zugversuch wird eine genormte Probe gezogen. Dabei werden Kraft und Verlängerung erfasst. Professionelle Zugversuche erfolgen an dafür vorgesehenen Prüfmaschinen.

Bildlegende: Form und Messbereich einer Zugprobe. Definierte Probengeometrien verbessern die Vergleichbarkeit.

Bildlegende: Aluminiumlegierungsprobe nach einem Zugversuch. Die sichtbare Einschnürung zeigt eine starke örtliche Verformung vor dem Bruch.

Medienauftrag:

1. Beobachte, wie sich die Probe vor dem Bruch verändert.
2. Stoppe gedanklich an drei Punkten: Beginn, deutliche Verformung, Bruch.
3. Beschreibe nur sichtbare Veränderungen. Trenne Beobachtung von Erklärung.

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Videoauftrag: Achte auf Probe, Einspannung, Kraftrichtung, Messung und Bruch. Notiere vier Fachbegriffe aus diesem aiMOOC, die Du im Versuch wiederfindest.

Spannungs-Dehnungs-Diagramm lesen

Bei professionellen Zugversuchen werden Messdaten oft als Spannungs-Dehnungs-Diagramm dargestellt.

Bildlegende: Typischer Verlauf eines duktilen Werkstoffs. Im Verlauf lassen sich Bereiche der elastischen und plastischen Verformung sowie der Bruch erkennen.

Vereinfachte Idee:

1. Spannung bezieht die Kraft auf die Ausgangsquerschnittsfläche.
2. Dehnung bezieht die Längenänderung auf die Ausgangslänge.
3. So werden Proben unterschiedlicher Größe besser vergleichbar.

Vertiefung: σ = F / A₀

Vertiefung: ε = ΔL / L₀ · 100 %

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Videoauftrag: Skizziere den Kurvenverlauf. Markiere elastischen Bereich, maximale Beanspruchung und Bruch. Schreibe zu jeder Markierung einen kurzen Erklärungssatz.

Bruch sicher untersuchen

Im Unterricht eignen sich für einfache Bruchvergleiche nur ungefährliche, von der Lehrkraft ausgewählte Proben, zum Beispiel Papierstreifen. Metallische oder spröde Proben werden nicht improvisiert bis zum Bruch belastet.

Papier-Zugmodell

feste Klemme        Papierstreifen       niedrige Zugkraft
[ Klemme ]==========|===========> F

Messgrößen:
- Streifenbreite
- freie Länge
- maximale Zugkraft vor dem Reißen

Gleiche Bedingungen: gleiche Papierbreite, gleiche freie Länge, gleiche Zugrichtung, gleiche Klemme, gleiche Zuggeschwindigkeit.

Beispielmessreihe: Papierstreifen

Die Werte sind Simulationsdaten für die Auswertung.

Papiertyp	Versuch 1	Versuch 2	Versuch 3	Mittelwert	Spannweite
A	14 N	15 N	14 N	14,3 N	1 N
B	22 N	21 N	23 N	22,0 N	2 N
C	11 N	10 N	11 N	10,7 N	1 N

Auswertung: B erreicht in dieser Messreihe die größte Bruchkraft.

Mittelwert: Summe der Messwerte geteilt durch Anzahl der Messungen.

Spannweite: größter Messwert minus kleinster Messwert.

Qualitätsregel: Ein auffälliger Messwert darf nicht einfach gelöscht werden. Prüfe zuerst, ob ein dokumentierter Versuchsfehler vorlag.

Messwerte richtig erfassen

Eine gute Messwerttabelle enthält mindestens:

1. Messgröße: Was wird gemessen?
2. Einheit: zum Beispiel mm oder N.
3. Bedingung: zum Beispiel Kraft, Probenmaß oder Zeit.
4. Wiederholungen: mehrere Messungen erhöhen die Aussagekraft.
5. Bemerkung: zum Beispiel „Probe verrutscht“.

Schlechter Eintrag	Besserer Eintrag
„biegt sich wenig“	2,4 mm Durchbiegung bei 4 N
„ziemlich hart“	0,4 mm Eindrucktiefe bei festgelegter Vergleichsprüfung
„hält gut“	kein Bruch bis zur festgelegten Prüfkraft
„ging kaputt“	Bruch bei 14 N

Messfehler und Versuchsfehler finden

Situation	Problem	Verbesserung
Lineal wird schräg abgelesen.	Ablesefehler durch Blickwinkel.	Senkrecht zur Skala ablesen.
Probe B ist dicker als Probe A.	Vergleichsbedingung verändert.	gleiche Dicke verwenden.
Kraft greift nicht in der Mitte an.	andere Biegebelastung.	Belastungsstelle markieren.
Nur ein Messwert wird aufgenommen.	Zufällige Abweichung ist schwer erkennbar.	Versuch wiederholen.
Ein unpassender Wert wird ohne Begründung gestrichen.	Daten werden manipuliert.	Ursache prüfen und dokumentieren.
Einheit fehlt.	Messwert ist unvollständig.	Zahl immer mit Einheit notieren.

Interaktive Fehlerdiagnose

Datensatz:

Probe	Breite	Dicke	Kraft	Durchbiegung
K	20 mm	2 mm	4 N	5,8 mm
L	20 mm	2 mm	6 N	5,4 mm

Behauptung: „L ist steifer, weil 5,4 mm kleiner als 5,8 mm ist.“

Hilfe
Vergleiche zuerst die Prüfkraft.

Lösung und Feedback
Die Aussage ist nicht zulässig. L wurde mit 6 N statt 4 N belastet. Die Werte stammen nicht aus gleichen Versuchsbedingungen.

Diagramme auswerten

Ein Diagramm übersetzt Messwerte in ein sichtbares Muster.

Prüfe immer:

1. Was steht auf der waagerechten Achse?
2. Was steht auf der senkrechten Achse?
3. Welche Einheit wird verwendet?
4. Welche Kurve gehört zu welcher Probe?
5. Vergleiche Werte nur bei gleicher Belastung.

Diagrammtraining: Kraft und Durchbiegung

Durchbiegung in mm
12 |                     C
10 |                   /
 8 |                B /
 6 |          C    /
 4 |       B     A
 2 | A
 0 |________________________
     0   2   4   6   Kraft in N

Frage 1: Welche Probe zeigt bei gleicher Kraft die größte Verformung?

Frage 2: Welche Probe wäre für eine steife Halterung am geeignetsten, wenn nur dieses Kriterium zählt?

Lösung
Frage 1: C. Frage 2: A, weil A bei gleicher Kraft die kleinste Durchbiegung zeigt.

Prüfen und entscheiden

Technische Werkstoffwahl beginnt mit Anforderungen. Nicht der „beste Werkstoff insgesamt“ wird gesucht, sondern der Werkstoff, der die Anforderungen einer Aufgabe erfüllt.

Prüfungsnahe Entscheidung 1: steife Halterung

Anforderungen:

1. Durchbiegung bei 6 N höchstens 4,0 mm.
2. Bruchkraft mindestens 18 N.
3. Nach Entlastung höchstens 0,5 mm Restverformung.

Werkstoff	Durchbiegung bei 6 N	Bruchkraft	Restverformung
A	3,6 mm	24 N	0,0 mm
B	9,0 mm	20 N	0,2 mm
C	18,4 mm	12 N	0,1 mm

Aufgabe: Bestimme den passenden Werkstoff und begründe mit Messwerten.

Lösungsweg
1. Jedes Kriterium einzeln prüfen. 2. Ungeeignete Werkstoffe streichen. 3. Entscheidung mit mindestens zwei Messwerten begründen.

Lösung und Feedback
A erfüllt alle drei Anforderungen: 3,6 mm ≤ 4,0 mm, 24 N ≥ 18 N und 0,0 mm ≤ 0,5 mm. B ist zu nachgiebig. C ist zu nachgiebig und erreicht die geforderte Bruchkraft nicht.

Prüfungsnahe Entscheidung 2: elastischer Clip

Anforderungen:

1. Durchbiegung bei 6 N mindestens 8 mm.
2. Restverformung höchstens 0,5 mm.
3. Bruchkraft mindestens 15 N.

Werkstoff	Durchbiegung bei 6 N	Restverformung	Bruchkraft
A	3,6 mm	0,0 mm	24 N
B	9,0 mm	0,2 mm	20 N
C	18,4 mm	0,1 mm	12 N

Aufgabe: Begründe die Werkstoffwahl.

Lösung und Feedback
B erfüllt alle Bedingungen. A biegt sich nicht weit genug. C biegt sich weit und kehrt gut zurück, erreicht aber mit 12 N die geforderte Bruchkraft von 15 N nicht.

Prüfungsnahe Entscheidung 3: Oberflächenwiderstand

Anforderung: Die Eindrucktiefe soll im Vergleichstest höchstens 0,6 mm betragen.

Probe	Eindrucktiefe
P	0,4 mm
Q	0,9 mm
R	1,6 mm

Aufgabe: Welche Probe erfüllt das Kriterium?

Lösung
P. Nur 0,4 mm liegt bei oder unter 0,6 mm.

Werkstoffentscheidung als Vergleichstabelle

Anforderung	Messgröße	günstiger Messwert	mögliche Fehlinterpretation
Bauteil soll sich wenig biegen.	Durchbiegung bei gleicher Kraft	klein	„hart“ mit „steif“ verwechseln
Bauteil soll nachgeben und zurückfedern.	Durchbiegung und Restverformung	große reversible Durchbiegung, kleine Restverformung	große Durchbiegung als „schlecht“ bewerten
Oberfläche soll Eindringen widerstehen.	Eindrucktiefe bei gleicher Prüfung	klein	subjektiven Fingerdruck als Härtemessung behandeln
Probe soll hohe Zuglast aushalten.	Bruchkraft bei gleichen Probenmaßen	groß	verschiedene Querschnitte direkt vergleichen

Versuchsplanung in sechs Schritten

1. Prüffrage formulieren: Zum Beispiel „Welche Probe biegt sich bei 4 N am wenigsten?“
2. Messgröße festlegen: Zum Beispiel Durchbiegung in mm.
3. Bedingungen kontrollieren: Geometrie, Kraft, Auflage und Messpunkt gleich halten.
4. Sicher prüfen: Nur freigegebener Aufbau nach Unterweisung und unter Aufsicht.
5. Mehrfach messen: Messreihe statt Einzelwert.
6. Auswerten und entscheiden: Daten vergleichen und eine begründete Aussage formulieren.

Messprotokoll-Vorlage

Feld	Dein Eintrag
Prüffrage
Proben
unabhängige Größe
konstant gehaltene Bedingungen
Messgröße mit Einheit
Sicherheitsmaßnahmen
Messwerte
Auffälligkeiten
Diagramm
Ergebnis
technische Entscheidung

Medien untersuchen statt nur ansehen

Medienauftrag 1: Zugprobe markieren

1. Markiere den Messbereich.
2. Zeichne die Zugrichtung.
3. Begründe, warum eine definierte Probenform Vergleichbarkeit verbessert.

Medienauftrag 2: Bruchbild vergleichen

1. Beschreibe nur, was sichtbar ist.
2. Markiere die engste Stelle.
3. Formuliere anschließend eine fachliche Deutung mit dem Begriff Verformung.

Medienauftrag 3: Härteeindruck analysieren

1. Skizziere den Eindruck als Kreis.
2. Überlege, welche Messgröße ausgewertet werden könnte.
3. Nenne zwei Gründe, warum gleiche Prüfkraft und gleicher Prüfkörper wichtig sind.

Medienauftrag 4: Belastungsaufbau vergleichen

1. Ordne Schema und reales Foto einander zu.
2. Markiere im Schema die Teile, die Du im Foto wiedererkennst.
3. Finde einen möglichen Ablese- oder Aufbaufehler.

Medienauftrag 5: Messgerät beobachten

1. Beschreibe die Kontaktstelle zwischen Messgerät und Probe.
2. Erkläre, warum ein Messgerät allein noch keinen guten Versuch garantiert.
3. Nenne drei Bedingungen, die zusätzlich festgelegt sein müssen.

Professionelle Härteprüfung: Einordnen, nicht nachbauen

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Beobachtungsauftrag:

1. Notiere die Namen Brinell, Vickers und Rockwell.
2. Vergleiche die Prüfprinzipien nur auf der Ebene „Prüfkörper – Belastung – Messgröße“.
3. Erkläre, warum Werte aus unterschiedlichen Härteverfahren nicht ohne Weiteres gleichgesetzt werden dürfen.

Vertiefung: zerstörend oder nicht zerstörend?

Prüfung	Wirkung auf Probe	Einordnung im Unterricht
Zugversuch bis zum Bruch	Probe wird zerstört.	professionelle Prüfung beobachten; sichere Simulationen auswerten.
Papierstreifen-Zugtest bis zum Reißen	Papierprobe wird zerstört.	nur mit freigegebenem ungefährlichem Aufbau.
Biegetest unterhalb kritischer Belastung	Probe kann unbeschädigt bleiben.	gut für vergleichende Schulmessungen.
Härteeindruck	Oberfläche wird örtlich verändert.	industrielles Verfahren beobachten; im Unterricht nur sicheres Vergleichsmodell.
Sichtprüfung	Probe bleibt meist unverändert.	sicher und einfach, aber liefert andere Informationen als mechanische Prüfungen.

Interaktive Aufgaben

Quiz: Teste Dein Wissen

Was ist ein Messwert? (Eine gemessene Zahl mit Einheit) (!Eine persönliche Vermutung ohne Messung) (!Eine Werkstoffbezeichnung ohne Zahl) (!Eine Sicherheitsregel)

Warum müssen Proben bei einem Vergleich möglichst gleich groß sein? (Damit Unterschiede eher auf den Werkstoff und nicht auf die Geometrie zurückgehen) (!Damit jede Probe eine andere Belastung erhält) (!Damit keine Messwerte notiert werden müssen) (!Damit Härte und Elastizität dasselbe bedeuten)

Welche Aussage beschreibt Elastizität am besten? (Die Probe kehrt nach Entlastung möglichst in ihre Ausgangsform zurück) (!Die Probe ist besonders schwer) (!Die Oberfläche glänzt) (!Die Probe bricht sofort)

Welche Messung passt zu einem einfachen Biegevergleich? (Durchbiegung bei festgelegter gleicher Kraft) (!Farbe bei unterschiedlicher Beleuchtung) (!Masse bei unterschiedlicher Probengröße) (!Bruchkraft bei unterschiedlicher Probenbreite)

Was zeigt ein kleinerer Eindruck bei gleicher Eindruckprüfung typischerweise an? (Einen größeren Widerstand gegen das Eindringen) (!Automatisch eine größere Elastizität) (!Automatisch eine geringere Dichte) (!Automatisch eine höhere elektrische Leitfähigkeit)

Warum sind Wiederholungsmessungen sinnvoll? (Sie helfen, Streuung und auffällige Messwerte zu erkennen) (!Sie ersetzen gleiche Versuchsbedingungen) (!Sie machen Einheiten überflüssig) (!Sie erlauben beliebige Probenmaße)

Welche Aussage ist fachlich korrekt? (Härte und Steifigkeit sind unterschiedliche Eigenschaften) (!Härte und Steifigkeit bedeuten immer dasselbe) (!Eine harte Oberfläche kann sich niemals biegen) (!Elastizität bedeutet große Bruchkraft)

Was muss bei einem fairen Drei-Punkt-Biegevergleich gleich bleiben? (Auflageabstand und Belastungsstelle) (!Nur der Name der Probe) (!Nur die Farbe des Werkstoffs) (!Nur die Reihenfolge der Messungen)

Eine Probe biegt sich stark und kehrt danach fast vollständig zurück. Welche Aussage passt? (Sie kann nachgiebig und zugleich elastisch sein) (!Sie muss spröde sein) (!Sie muss besonders hart sein) (!Sie ist sicher gebrochen)

Wie wählst Du einen Werkstoff prüfungsnah aus? (Du vergleichst die Messwerte mit den vorgegebenen Anforderungen) (!Du nimmst immer den schwersten Werkstoff) (!Du entscheidest nur nach dem Aussehen) (!Du verwendest den Werkstoff mit dem längsten Namen)

Memory

Werkstoffprüfung	geplantes Ermitteln von Werkstoffeigenschaften
Belastung	auf die Probe wirkende Beanspruchung
Verformung	Änderung von Form oder Abmessung
Bruch	Versagen mit Riss oder Trennung
Härte	Widerstand gegen das Eindringen eines härteren Körpers
Elastizität	Rückkehr zur Ausgangsform nach Entlastung
Messwert	Zahl mit zugehöriger Einheit

Drag and Drop

Ordne die richtigen Begriffe zu.	Bedeutung
Durchbiegung	Messgröße beim einfachen Biegetest
Prüfkraft	festgelegte Belastung während eines Vergleichs
Restverformung	Verformung, die nach dem Entlasten verbleibt
Eindrucktiefe	mögliche Messgröße eines schulischen Härtevergleichs
Wiederholungsmessung	hilft, Streuung und auffällige Werte zu erkennen

Kreuzworträtsel

Härte	Welche Eigenschaft beschreibt den Widerstand gegen das Eindringen?
Bruch	Wie heißt das Versagen mit Riss oder Trennung?
Elastizität	Welche Eigenschaft beschreibt die Rückkehr zur Ausgangsform?
Messwert	Wie heißt eine gemessene Zahl mit Einheit?
Verformung	Wie heißt eine Änderung von Form oder Abmessung?
Belastung	Wie heißt die auf eine Probe wirkende Beanspruchung?

Lückentext

Vervollständige den Text.

Eine geplante Untersuchung von Werkstoffeigenschaften heißt . Eine Kraft oder Beanspruchung auf einer Probe nennt man . Ändert eine Probe dabei ihre Form, entsteht eine . Ein Ergebnis wie 4,2 mm ist erst mit seiner Einheit ein vollständiger . Beim Vergleich müssen wichtige Versuchsbedingungen möglichst bleiben. Der Widerstand gegen das Eindringen eines härteren Körpers heißt . Kehrt eine Probe nach Entlastung wieder in ihre Ausgangsform zurück, zeigt sie . Wird eine Probe vollständig getrennt, liegt ein vor. Eine technische Werkstoffwahl wird mit Messdaten und vorgegebenen begründet.

Prüfungstraining mit unmittelbarer Selbstkontrolle

Aufgabe A: Messdaten interpretieren

Probe	Durchbiegung bei 5 N	Restverformung
X	2,0 mm	0,0 mm
Y	7,5 mm	0,2 mm
Z	11,0 mm	2,5 mm

Frage: Welche Probe ist im Versuch am steifsten? Welche zeigt die größte bleibende Verformung?

Hilfe
Kleine Durchbiegung bei gleicher Kraft bedeutet in diesem Vergleich höhere Steifigkeit. Große Restverformung bedeutet geringe Rückkehr zur Ausgangsform.

Lösung
X ist am steifsten. Z zeigt mit 2,5 mm die größte bleibende Verformung.

Aufgabe B: Versuchsfehler finden

Eine Gruppe prüft zwei Streifen. Beide sind 20 mm breit. Streifen 1 ist 2 mm dick, Streifen 2 ist 4 mm dick. Beide werden mit 5 N belastet. Die Gruppe behauptet: „Streifen 2 besteht aus dem steiferen Werkstoff.“

Hilfe
Welche wichtige Probeneigenschaft wurde nicht konstant gehalten?

Lösung
Die Dicke ist unterschiedlich. Deshalb ist der Werkstoffvergleich nicht fair. Die größere Dicke kann die geringere Durchbiegung erklären.

Aufgabe C: Technische Entscheidung

Ein Schutzbügel soll sich bei 5 N höchstens 3 mm durchbiegen. Nach Entlastung dürfen höchstens 0,3 mm Restverformung bleiben.

Probe	Durchbiegung	Restverformung
M	2,6 mm	0,1 mm
N	2,1 mm	0,8 mm
O	4,0 mm	0,0 mm

Lösung
M erfüllt beide Anforderungen. N ist zwar steif genug, bleibt aber zu stark verformt. O kehrt gut zurück, biegt sich aber zu weit durch.

Aufgabe D: Subjektiv oder messbar?

Ordne die Aussagen gedanklich:

Aussage	Art
„Die Probe fühlt sich stabil an.“	subjektiver Eindruck
„Die Probe biegt sich bei 4 N um 2,3 mm.“	Messwert
„Die Oberfläche wirkt hart.“	subjektiver Eindruck
„Der Eindruck ist bei gleicher Prüfung 0,5 mm tief.“	Messwert

Transfer: Formuliere aus „Das Material ist ziemlich flexibel“ eine überprüfbare Prüffrage.

Beispiel-Lösung
„Wie groß ist die Durchbiegung der Probe bei 4 N, wenn Probenmaße und Auflageabstand gleich sind?“

Wiederholung: Schnellcheck vor einer Klassenarbeit

1. Kannst Du Werkstoffprüfung, Belastung, Verformung, Bruch, Härte, Elastizität und Messwert erklären?
2. Kannst Du sagen, welche Versuchsbedingungen gleich bleiben müssen?
3. Kannst Du eine Tabelle lesen und Messwerte mit Einheiten vergleichen?
4. Kannst Du aus einem Diagramm einen Wert bei gegebener Belastung ablesen?
5. Kannst Du Härte und Steifigkeit unterscheiden?
6. Kannst Du elastische und bleibende Verformung unterscheiden?
7. Kannst Du einen fehlerhaften Vergleich erkennen?
8. Kannst Du eine Werkstoffentscheidung mit Anforderungen und Messwerten begründen?

Offene Aufgaben

Leicht

1. Belastungsbild: Zeichne Zug, Druck und Biegung mit Kraftpfeilen. Markiere jeweils eine sinnvolle Messstelle.
2. Fachbegriffe: Erstelle sieben Karteikarten zu Werkstoffprüfung, Belastung, Verformung, Bruch, Härte, Elastizität und Messwert. Nutze auf jeder Karte ein eigenes technisches Beispiel.
3. Medienanalyse: Wähle ein Commons-Bild aus diesem aiMOOC. Markiere Probe, Belastungsrichtung und Messbereich in einer eigenen Skizze.
4. Subjektiv und objektiv: Sammle drei Alltagssätze wie „Das fühlt sich stabil an“ und formuliere daraus jeweils eine messbare Prüffrage.

Standard

1. Biegeversuch: Plane einen sicheren Vergleichstest für drei von der Lehrkraft bereitgestellte Streifen. Lege Messgröße und mindestens fünf konstante Bedingungen fest.
2. Messreihe: Werte eine bereitgestellte Messreihe mit drei Wiederholungen aus. Bestimme Mittelwert und Spannweite und beschreibe auffällige Werte.
3. Fehleranalyse: Erstelle ein absichtlich fehlerhaftes Versuchsprotokoll mit mindestens vier Vergleichsfehlern. Tausche es mit einer anderen Gruppe und lasse die Fehler finden.
4. Werkstoffauswahl: Entwickle für einen Handyhalter drei messbare Anforderungen und entscheide anhand vorgegebener Messwerte zwischen drei Werkstoffproben.

Schwer

1. Versuchsoptimierung: Vergleiche zwei verschiedene Möglichkeiten, die Durchbiegung zu messen. Bewerte Genauigkeit, Aufwand und mögliche Fehler.
2. Diagrammanalyse: Erstelle aus einer Messwerttabelle ein Kraft-Durchbiegungs-Diagramm. Erkläre den Kurvenverlauf und markiere einen auffälligen Messwert.
3. Transferaufgabe: Entwickle ein Prüfkonzept für einen elastischen Clip. Lege Grenzwerte für Durchbiegung, Restverformung und Mindestbruchkraft fest und begründe sie.
4. Technische Entscheidung: Erstelle eine Entscheidungsmatrix für ein Bauteil mit mindestens vier Kriterien. Trenne Messdaten, Sicherheitsanforderungen und begründete Wertung sauber voneinander.

Lernkontrolle

1. Versuchsvergleich: Zwei Gruppen erhalten unterschiedliche Ergebnisse für denselben Biegetest. Analysiere anhand ihrer Protokolle, welche veränderten Bedingungen die Abweichung erklären könnten, und schlage einen verbesserten gemeinsamen Versuch vor.
2. Messdaten und Entscheidung: Drei Werkstoffe erfüllen unterschiedliche Teile eines Anforderungsprofils. Begründe, welcher Werkstoff für eine steife Halterung geeignet ist, und nenne zugleich, wofür ein anderer Werkstoff günstiger sein könnte.
3. Subjektivität: Erkläre an einem selbst gewählten Beispiel, warum ein Sinneseindruck eine Messung nicht ersetzt. Formuliere danach eine prüfbare Messgröße.
4. Elastizität und Steifigkeit: Eine Probe biegt sich stark, kehrt aber vollständig zurück. Eine andere biegt sich wenig, bleibt danach aber dauerhaft verformt. Vergleiche die beiden Werkstoffe fachsprachlich.
5. Fehler und Datenqualität: In einer Messreihe weicht ein Wert stark ab. Entwickle einen sinnvollen Prüfweg, bevor entschieden wird, ob der Wert wiederholt oder begründet ausgeschlossen werden darf.
6. Transfer in ein Produkt: Wähle für einen Federclip, eine starre Halterung und eine druckfeste Unterlage jeweils passende Messkriterien. Begründe, warum unterschiedliche Produkte unterschiedliche Werkstoffeigenschaften verlangen.

Lernnachweis

Für einen Lernnachweis zu T9 M - Werkstoffe prüfen und vergleichen ist wichtig:

1. Du verwendest die Fachbegriffe Werkstoffprüfung, Belastung, Verformung, Bruch, Härte, Elastizität und Messwert korrekt.
2. Du kannst einen einfachen vergleichenden Test planen.
3. Du hältst wichtige Versuchsbedingungen konstant.
4. Du dokumentierst Messwerte mit Einheiten.
5. Du kannst Messreihen mit Wiederholungen auswerten.
6. Du erkennst unfaire Vergleiche und typische Messfehler.
7. Du unterscheidest subjektive Eindrücke von gemessenen Eigenschaften.
8. Du liest Tabellen und einfache Diagramme sicher.
9. Du begründest eine Werkstoffwahl anhand vorgegebener Anforderungen.
10. Du beachtest Sicherheitsregeln und kannst erklären, warum bestimmte Prüfungen nur professionell oder unter schulischer Aufsicht durchgeführt werden.

OERs zum Thema

Weitere freie oder öffentlich zugängliche Lernquellen:

1. Wikimedia Commons – Kategorie Zugversuch
2. Wikimedia Commons – Universalprüfmaschinen
3. Wikipedia – Zugversuch
4. Wikipedia – Biegeversuch
5. Bildungsplan Baden-Württemberg – Technik: Werkstoffe und Produkte

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Verknüpfte Lernbereiche

Werkstoffprüfung Werkstoff Belastung Verformung Bruch Härte Elastizität Messwert Biegeversuch Zugversuch Werkstoffauswahl Messfehler Technisches Experiment