LABOR FÜR WERKSTOFFE - Ntb

LABOR FÜR WERKSTOFFE
Campus Buchs
… Aufgaben ...
... Kompetenzen ...
… Ausrüstung ...

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Aufgaben
Das Labor für Werkstoffe ist eine Einrichtung der Interstaatlichen Hochschule
für Technik Buchs NTB.
In der Ausbildung zum Ingenieur Systemtechnik werden im Labor
praktische Übungen zur Beurteilung von Werkstoffen und Bauteilen und zur
Ermittlung von Werkstoffkennwerten durchgeführt. Dazu gehören
mikroskopische Untersuchungen, festigkeitsorientierte Versuche und
Wärmebehandlungen.
Für Dienstleistungen stehen Personal und Einrichtungen des Labors
externen Kunden zur Untersuchung von Werkstoffen und Bauteilen zur
Verfügung. Der Arbeitsschwerpunkt liegt auf dem Gebiet der Analyse von
Werkstoffen, Werkstoffoberflächen und Beschichtungen.
Im Rahmen der Weiterbildung wird das Labor in Zukunft Kurse zu Analyseverfahren
(Mikroskopie und Spektrometrie) und zur Informationsbeschaffung
(Werkstoff- und Prozessdaten) anbieten.
Fachkompetenz
Die Mitarbeiter des Labors verfügen über langjährige Erfahrung in der
Präparation und Beurteilung von anorganischen und metallischen Werkstoffen
und Bauteilen. Die Möglichkeiten des Labors werden durch eine erprobte
Zusammenarbeit mit NTB-internen und externen Analyselabors erweitert.
Mikroskopische Werkstoffanalyse: Gefüge, Risse, Einschlüsse, Lunker etc.
Messung mechanischer Kennwerte von Metallen, Kunststoffen und Keramik:
Härte, Festigkeiten, E-Modul, Bruchdehnung …
Chemische und Phasen-Analyse kristalliner Werkstoffe
Zusammensetzung und Dicke von Beschichtungen
Werkstoffkontrolle, Verwechslungsprüfung
Fehler- und Schadensuntersuchungen
Beratung in Werkstoff-Fragen
Nachfolgend finden Sie zunächst einen kurzen Überblick über die bei uns
verwendeten Techniken. Anschliessend werden einige Geräte und Techniken
detaillierter beschrieben.
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Techniken im Überblick
Präparation von Proben
Sägen
Einbetten
Schleifen
Polieren
Ätzen
Erkennen von Defekten
Lichtmikroskopie
Raster-Elektronen-Mikroskopie (REM)
Röntgendurchstrahlung
Ultraschallprüfung
Sichtprüfung (UV)
Bestimmung chemischer
Zusammensetzungen
Röntgenfluoreszenz-
Spektrometrie (EDX, RFA)
Funkenspektrometrie (OES)
Mechanische Prüfungen
Härtemessung (HV, HB, HRC, …)
Zug-, Druck-, Biege-Prüfung
Pendelschlag-Prüfung
Mess- und Bild-Auswertung
unterstützt durch Datenbanken,
Bildatlanten und Fallsammlungen
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Unsere Schwerpunkte: Lehre + Werkstoffanalytik
Die Werkstofftechnik ist ein sehr umfangreiches Gebiet, welches an grossen
Universitäten oft von mehr als 1000 Ingenieuren und Naturwissenschaftlern in
Lehre und Forschung bearbeitet wird. Als Werkstofflabor an einer kleinen
Hochschule gilt unser Augenmerk zwei Bereichen:
In der Lehre orientieren wir uns am aktuellen Stand der Vermittlung von
Werkstoffwissen. An konkrete Anwendungen anknüpfend, steht prozedurales
Wissen im Vordergrund. Als erste Fachhochschule der Schweiz setzen wir
hierzu den „Cambridge Engineering Selector“ im Unterricht ein. Jedoch ist
lexikalisches Wissen nicht „out“: der Ingenieur / die Ingenieurin muss vor
allem wissen, wo es nachzuschauen ist. Eine umfangreiche Bibliothek mit
Online-Zugriff auf die Fachliteratur sowie aktuelle Datenbanken für metallische
und polymere Werkstoffe sind am NTB verfügbar und werden im Unterricht
eingesetzt.
In der Werkstoffanalytik konzentrieren wir uns neben der Bestimmung
von Werkstoffeigenschaften vor allem auf die Aufklärung von Schadensfällen.
Die Ausrüstung des Labors wurde in den vergangenen Jahren erneuert und
mit Blick auf die Anforderungen einer zeitgemässen Ingenieurausbildung und
die Erfordernisse unserer Industriekunden hin ausgebaut.
Details zur … erfahren Sie auf den Seiten
Materialographie Präparation von Proben
♦ Sägen/Schleifen/Polieren, Ätzen
♦ Wärmebehandlung
Mikroskopie Beurteilung von Bauteilen, Bruchflächen,
Werkstoffgefüge, Defekterkennung
♦ Lichtmikroskopie (Stereo, LOM)
♦ Elektronenmikroskopie (REM)
♦ Rissprüfung mit UV-Licht, Ultraschall, Röntgen
Spektrometrie Bestimmung der chemischen Zusammensetzung
♦ optische Emissionsspektrometrie (OES)
♦ Röntgenfluoreszenz (EDX, RFA)
Prüftechnik Messung von Schichtdicken, E-Modul
Prüfung von Festigkeiten, Schlagarbeit
♦ magnetische und elektrische Messungen
♦ mechanische Prüfverfahren
Interpretation Vergleich mit Informationen aus Datenbanken,
Fallsammlungen, Handbücher, … (Kollegen)
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Probenpräparation
Sägen
Struers Discotom-2
Struers Accutom-2
Trennscheiben sind vorhanden
für Metalle und Keramik
[grosse Proben trennt uns die
mechanische Werkstatt des NTB
spanend oder per Drahterosion]
Einbetten
warm: Struers PredoPress
Standard-∅: 30 mm
kalt: Struers Epovac
bis ∅: 50 mm
Proben mit einer Dimension
grösser 50 mm müssen vor dem
Einbetten verkleinert werden
Schleifen / Polieren / Ätzen
Buehler Phoenix 4000
Buehler Minimet
Buehler VibroMet 2
Struers LaboPol-21
Struers LectroPol-5
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Wärmebehandlung
Keramikbrennofen CTL28
für Temperaturen bis: 1280°C
Nutzabmessungen (∅xH):
33 cm x 34 cm
Wärmezyklen: programmierbar
Muffelofen Borel 117-13/10/30
für Temperaturen bis: 1150°C
- auch unter Schutzgas –
Nutzabmessungen (BxHxT):
13 cm x 30 cm x 10 cm
Wärmezyklen: programmierbar
Härtereiofen Solo 151-8/4/27
für Temperaturen bis: 1050°C
Nutzabmessungen (∅xT):
3 cm x 30 cm
kippbarer Ofen über Abschreckbad.
Zusammen mit einer speziellen
Probenhalterung werden Jominy-
Stirnabschreckversuche nach
DIN EN ISO 642 durchgeführt.
zwei Trockenschränke (Solo)
für Temperaturen bis: 250°C,
Nutzabmessungen (BxHxT):
50 cm x 40 cm x 40 cm
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Lichtmikroskopie
Stereomikroskop Leica Wild M3Z
Vergrösserung: 3x … 80x
Beleuchtung:
faseroptischer Ringspalt
koaxiales Auflicht
Schwanenhals-Lichtleiter
Digital-Kamera: ColorView IIIu
2576x1932 pixels, 3x8 bit
Bildverarbeitung: analySIS® FIVE
für die Bilddokumentation
Die im Vergleich mit einem Forschungsmikroskop geringe Numerische Apertur:
♦ gestattet eine Betrachtung auch unebener und rauher Oberflächen,
♦ ermöglicht einen grossen Arbeitsabstand,
♦ schränkt die verfügbare Detailauflösung auf bestenfalls 5 µm ein.
Anwendungsbeispiele:
Härterisse in der Wärmeeinflusszone
und Bindefehler sind typische Fehler
bei Schweissnähten
Restbruch
Bruchfläche eines korrodierten
Federstahldrahts nach
Wechselbeanspruchung
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Lichtmikroskopie
Forschungsmikroskop Zeiss Axioskop2MAT
Vergrösserungsstufen:
25 / 50 / 100 / 200 / 500 / 1000x
Kontrastverfahren:
Auflicht: Hellfeld, Dunkelfeld
Polarisation, Differential-
Interferenzkontrast c-DIC
Durchlicht: Hellfeld, Polarisation
Kontrastverfahren und Vergrösserungsstufen
sind umschaltbar, ohne dass die
Fokuslage nennenswert verändert wird.
Die im Vergleich mit einem Stereomikroskop hohe numerische Apertur der
Objektive erfordert eine Planität der Probenoberfläche im Mikrometerbereich,
wenn das Bildfeld scharf abgebildet werden soll.
Zubehör: Digital-Kamera ColorView IIIu 2576x1932 pixels, 3x8 bit
Bildverarbeitung analySIS® FIVE für Dokumentation und Messungen,
mit „Z-Stapel“-Möglichkeit
Mikrometer am Probentisch für „Höhen“-Messungen
Heiztisch (RT bis 120°C) für Kristallisationsexperimente
Beispiel für ein mikroskopisches Gefüge:
Zwillingslamellen und δ-Ferrit-Körner
in einem austenitischen Edelstahl.
Die Abbildung erfolgte nach mechanischer
Politur und elektrolytischer
Ätzung im Differential-Interferenzkontrast.
Das Werkstoffgefüge ist ein „Logbuch“
des Bauteils. Es ist typisch für den
jeweiligen Werkstoff und berichtet von
Verformungen, Wärmebehandlungen
und korrosiven Angriffen.
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Lichtmikroskopie im Einsatz
Gefügeveränderungen durch Randschichthärten
Härte HV1
Tiefe [mm]
Viele Prozesse haben Änderungen
im Werkstoffgefüge zur Folge. Dies
gilt besonders für Härteprozesse.
Im vorliegenden Fall war der Randbereich
einer Kugelnabe induktiv
gehärtet worden. Sowohl am
Gefüge als auch am Härteverlauf
lässt sich dies nachvollziehen.
Gehärteter Bereich:
Martensit
Übergangsbereich:
Bainit, Perlit, Ferrit
Grundgefüge:
Ferrit + Zementit
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Rasterelektronenmikroskopie
Elektronen-
Kanone
Röntgen-
Detektor
Probenkammer
Elektronen-
Detektor
Zeiss LEO 1455 VP
Vergrösserungsbereich: 50x … 100.000x (HV Modus)
50x … 5000x (VPE Modus)
Probengrösse: bis max. 20 cm, idealerweise: < 5 cm
Probenhalter: 5-Achsen-Goniometer (x,y,z,χ,φ)
Elektronenemitter: Wolfram-Kathode
Elektronendetektoren: für Sekundär- u. Rückstreuelektronen
Variable Pressure Modus: nichtleitende Proben
können ohne Bedampfung analysiert werden
Röntgendetektor: Röntec Quantax XQ2 (XFlash)
peltiergekühlt, stickstofffrei
Energieauflösung

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Rasterelektronenmikroskopie im Einsatz
Bruchfläche einer Umlenkrolle aus Edelstahl
Drehriefen
zerstörte
Laufrille
glatter Bruch
rauher Bruch
Die zerstörte Lauffläche und Risse durch Hertzsche Pressung parallel zur Laufrichtung
zeigen an, dass die Rolle zu hoch belastet wurde ( kein Fehler des Härters)
Analyse von Einschlüssen in Edelstahl
Matrix: Einschluss:
Fe 71,6 Gew% Ca 35,8 Gew%
Cr 18,5 F 15,2
Ni 8,0 Si 10,2
Si 0,6 Mg 6,1
(C 1,3) Al 5,2
Rest 0,3 O 24,4
bei den Einschlüssen handelt es
sich um nicht-metallisches Material
Riss
500 µm 50 µm
LOM-DIC
REM/EDX
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Optische Funkenspektrometrie
Spectro SPECTROMAXx (Version M)
Optisches Funkenspektrometer im Wellenlängenbereich 140 nm - 670 nm
zur Bestimmung der Legierungszusammensetzung metallischer Proben.
Probenformen: - Flachproben: d = 0,1 … 50 mm
- Drähte: ∅ = 0,8 … 10 mm
Die Probe muss elektrisch leitend sein, da sonst keine Gleichstrom-Glimmentladung
zustande kommt. Pulver und solche Materialien, die bereits bei
niedrigen Temperaturen schmelzen oder sich zersetzen, können nicht
gemessen werden.
Messfleckgrösse (typisch) ∅ = 5 mm
Messmodule und Kalibrationsstandards sind vorhanden für die
Matrixwerkstoffe:
Fe, Al, Cu, Ni, Mg, Zn, Ti, Co, Sn
Durch Vergleich der Analyse mit Werten aus einer angeschlossenen Werkstoff-
Datenbank kann die Werkstoff-Bezeichnung ermittelt werden.
Kohlenstoff, Phosphor, Schwefel und Stickstoff werden bereits im ppm-Bereich
detektiert und sind quantitativ auf Bruchteile eines Prozents bestimmbar. Dies
kann Aussagen zu technologisch wichtigen Parametern ermöglichen:
Kohlenstoffgehalt Bewertung der Härtbarkeit
Aluminium/Stickstoff-Verhältnis Bewertung der Feinkornstabilität
Spurenelemente Einfluss auf bestimmte Eigenschaften
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Optische Funkenspektrometrie
Auswertung eines Funkenspektrums
Die chemischen Elemente in einer
Probe hinterlassen im Spektrum
jeweils eindeutige „Fingerabdrücke“.
Während aus der Lage eines Peaks
direkt auf das vorkommende Element
geschlossen werden kann, ist die
Höhe dieses Peaks ein Mass für die
Menge des Elements in der Probe.
Durch sorgfältige Kalibration des
Spektrometers mit Referenz-Proben
werden verlässliche Zusammensetzungen
ermittelt.
Anwendungsbeispiel:
Verwechslungsprüfung bei einem Stahl
Probe
Flachprobe eines Stahls, dessen
Zusammensetzung unklar war.
Vermutet wurde, dass es sich um
den Einsatzstahl 14NiCr14 (kurz:
„Sollwerkstoff“) handelt.
Ergebnis
das Funkenspektrum weist bei drei
Elementen (rot eingezeichnet)
signifikante Abweichungen von der
Soll-Zusammensetzung aus.
Die Datenbank schlägt als Werkstoff
vor: C45 (Werkstoff-Nr. 1.0503)
Ausschnitt aus einem Funkenspektrum
Sollwerkstoff
1.5752
(14NiCr14)
Messung
Gew.-% Gew.-%
C 0,12 – 0,22 0,449
Si max. 0,43 0,227
Mn 0,36 – 0,74 0,678
P max. 0,040 0,019
S max. 0,040 0,015
Cr 0,55 – 0,95 0,158
Ni 2,93 – 3,57 0,159
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Zerstörungsfreie Analysen
Röntgenfluoreszenz-Spektrometer
Fischerscope X-Ray XAN
Das energiedispersive Röntgenfluoreszenz-Spektrometer mit nicht evakuiertem
Strahlengang dient zum Nachweis chemischer Elemente von Z = 17 (Chlor) bis
Z = 92 (Uran).
Es können bestimmt werden:
die chemische Zusammensetzung
- von massiven Proben
- von Galvanikbädern
die Dicke homogener Schichten
- bei einfachen Schichtsystemen
normierte Röntgenintensität [counts]
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
Die Analyse benutzt „standardfreie“
Auswertealgorithmen. Die Genauigkeit
der Ergebnisse liegt typischerweise
meist im Prozentbereich.
Probenabmessungen (∅xH): 20 cm x 4 cm (maximal)
bestrahlter Probenfleck ∅: 0,2 … 2 mm (einstellbar)
Lokalisieren des Messflecks: mit eingebauter Videokamera (25x)
Energieauflösung:

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Zerstörungsfreie Analysen
FISCHERSCOPE ® MMS ®
Geräte für die zerstörungsfreie Rissprüfung
Joch-Magnetisierungsgerät
mit UV-Lampe für Rissprüfungen (Magnaflux Y6)
Röntgendurchstrahlungsgerät
für Riss- und Lunkerprüfungen (Philips Macrotank, bis 160 kV)
USD 10 - Ultraschallgerät
Schichtdicken-Messung:
- von Cu-Schichten auf Leiterplatten
- von Kunststoffen u. Eloxalschichten
auf unmagnetischem Grundwerkstoff
- von galvanischen Schichten und
Lackschichten auf Stahl und Eisen
Messmethoden:
- magnetinduktiv (DIN EN ISO 2178)
- magnetisch (DIN EN ISO 2178)
- mit Wirbelstrom (DIN EN ISO 2360)
- elektrischer Widerstand
Zur Detektion von Rissen, Lunkern und Delaminationen
Prüfköpfe für unterschiedliche Prüffrequenzen und Einstrahlwinkel
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Ermittlung mechanischer Kennwerte
Universalprüfmaschinen
für Zug-, Druck- und Biegeprüfungen
TesT 106.2
Messzelle: 2 kN
Software: TesTWinner 920
Spannzeuge für Flachproben und
Rundstäbe vorhanden;
speziell geeignet für Kunststoffe
Zwick 1445-03
Messzellen: 500 N, 10 kN
mechan. Feindehnungsmesszeiger
Klimakammer: RT … +200°C
Software: TestXpert
Prüfvorschriften nach DIN/ISO für
Druck-, Zug-, Wechselbelastung.
Spannzeuge für unterschiedlichste
Probenformen sind vorhanden
TiniusOlsen („Locap“)
Messzelle: 100 kN
mechan. Feindehnungsmesszeiger
Software nur zum Auslesen der Daten;
keine Rechnersteuerung.
Spannzeuge für unterschiedlichste
Probenformen sind vorhanden
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Ermittlung mechanischer Kennwerte
Bestimmung der Biegeeigenschaften von
faserverstärktem Polypropylen (DIN EN ISO 178)
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Ermittlung mechanischer Kennwerte
Härteprüfgeräte
Struers Duramin-A300
Eingerichtet für Vickers-Prüfungen
in den Messbereichen:
HV 0,1 / 0,2 / 0,3 / 0,5 /
1 / 2 / 3 / 5 / 10 / 20
Vollautomat mit 4 Objektiven, zwei
CCD-Kameras und motorischem
X/Y-Kreuztisch..
Ansteuerung, Bilderfassung und
Auswertung der Härteeindrücke
geschieht mittels PC.
Für Prüfungen nach DIN EN ISO 2639, DIN EN 10328 und DIN 50190-3 zur
Ermittlung der Einsatzhärtungstiefe CHD (früher: Eht), der Einhärtungstiefe
Rht nach dem Randschichthärten und der Nitrierhärtetiefe Nht.
Anwendungsbeispiel:
Messung des Härteverlaufs zur Ermittlung
der Einsatzhärtungstiefe bei einem Zahnrad:
Härte HV1
0
0 1 2 3 4 5
weitere Härteprüfer: für Brinell (HBS), Rockwell C und Knoop,
sowie für Shore A und D (Kunststoffe);
ausserdem als mobiles Gerät: Equotip
800
700
600
500
400
300
200
100
Einsatzhärtungstiefe
CHD = 0,6 mm
Randabstand [mm]
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Ermittlung mechanischer Kennwerte
Pendelschlagmaschinen zur
Bestimmung der Schlagarbeit
Schutz-
Verkleidung
PC für Messdaten-
Aufbereitung
Pendelschlagwerk MFL (Losenhausen)
Charpy-Hammer: 150 J / 300 J
Auslesung mit Winkelencoder und PC (Fa. Messtek)
Pendelschlagwerk Frank
Probe
Charpy-Hammer: 25 J / 50 J
Izod-Hammer: 25 J / 50 J
Auslesung mit Winkelencoder und PC (Fa. Messtek)
Zubehör zum Temperieren der Proben vor dem Schlagen:
- kleiner Ofen bis 1000 °C
- kleiner Kühlschrank bis -30°C
Schlag-
Hammer
Ofen
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Materialkundliche Informationsquellen
Datenbanken
CES = Cambridge
Engineering Selector
ein Selektionsprogramm
quer über alle
Werkstoffklassen
Werkstoffdaten für Stahl, Gusseisen, Sinterwerkstoffe, NE-Werkstoffe
Strukturelle und thermische Eigenschaften, Phasendiagramme
Pearson‘s Handbook of
Crystallographic Data
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Materialkundliche Informationsquellen
Handbücher, Bildatlanten und Rezeptsammungen
ASM Handbooks
CRC Handbooks
Knovel Handbooks
De Ferri Metallographia
Atlas zur Wärmebehandlung der Stähle
Heat Treaters Guides (Iron and Steels, Non-ferrous Alloys)
Thermophysical Properties of High Temperature Solid Materials
Atlas of Electrochemical Equilibria in Aqueous Solutions (Pourbaix)
Fallsammlungen zur Schadensanalyse
Rezeptsammlungen für das Ätzen
NTB-Bibliothek
Lehrbücher (gedruckt und elektronisch)
Ca. 40 werkstoffkundliche Fachzeitschriften
Tagungsbände und Sammelwerke
Bibliographische Datenbanken:
- für Bücher und Zeitschriftenbände
- für Zeitschriftenartikel
Elektronische Zeitschriften des FHO-Verbundes
(Elsevier-, Wiley- und Springer-Zeitschriften)
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Kooperationspartner
an der NTB
Labor für physikalische Chemie Prof. Dr. Samuel Affolter
Institut für Mikro- und Nanotechnologie Prof. Dr. André Bernard
externe Partner
Mikroskopie, Spektrometrie und weitere Verfahren zur Schadensanalytik
Dipl. Ing. ETH Ulrich Ritter, Sulzer Innotec, Winterthur
Röntgentomographie zur Identifizierung von mikroskopischen Schäden
Dipl.-Ing. FH Wilma Schneider, Alcan Technology & Management, Neuhausen
Optische Spektrometrie (GDOS) auch an elektrisch nichtleitenden Proben
Dr. Marcel Baak, Berner Fachhochschule, Biel
Röntgendiffraktometrie zur Bestimmung von Phasenbestand und Textur
Dr. Lutz Kirste, Fraunhofer IAF, Freiburg (D)
Röntgenographische Spannungsmessungen
Dr. Wulf Pfeiffer, Fraunhofer IWM, Freiburg (D)
Röntgenspektrometrie zur genauen Bestimmung der chem. Zusammensetzung
Dr. Manfred Schuster, Siemens CT, München (D)
Legenden zu den lichtmikroskopischen Abbildungen auf dem Titelblatt:
Links: Wachstumshügel einer CVD-Galliumnitrid-Schicht auf einem
Saphir-Wafer Bildausschnitt: 135 µm x 110 µm
Mitte: Typisches Korngefüge eines austenitischen Edelstahls
Bildausschnitt: 135 µm x 110 µm
Rechts: Perlitgefüge in eutektoidem Stahl (Perlit = Gefüge aus Ferritund
Zementit-Lamellen) Bildausschnitt: 70 µm x 75 µm
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Unser Angebot
Wir messen und testen für Sie – testen Sie uns!
Routinearbeiten (d.h. die Herstellung von Schliffen, mikroskopische
Untersuchungen, Härteprüfungen, Zugversuche, Bestimmung
chemischer Zusammensetzungen) werden meist innerhalb einer Woche
bearbeitet. Ein Angebot erstellen wir Ihnen umgehend.
Schadensanalysen dauern – je nach Umfang und Detaillierung – in der
Regel zwischen einigen Wochen und mehreren Monaten. Wir denken
gerne mit Ihnen über Lösungswege nach und unterbreiten Ihnen dann
unser Angebot.
Anschrift: Interstaatliche Hochschule
für Technik Buchs NTB
Labor für Werkstoffe
Werdenbergstrasse 4
CH-9471 Buchs (SG) / Schweiz
Telefon: +41 (0) 81 755 3311
Telefax: +41 (0) 81 756 5434
URL: http://www.ntb.ch
Kontakt: Dr. Nikolaus Herres (Dozent)
Telefon: +41 (0) 81 755 3458
E-Mail: nikolaus.herres@ntb.ch
Bettina Schlecht (Metallographin)
Telefon: +41 (0) 81 755 3485
E-mail: bettina.schlecht@ntb.ch
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