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Tief- und Tiefstkälte in der Industrie: Anwendungen & Prüfverfahren

Tief- und Tiefstkälte in der Industrie: Charpy-, Zug- und Bruchmechanikprüfung für LNG, Offshore und Kryotechnik sowie Kältefügen – Lager, Buchsen und Bolzen unterkühlt montieren.

🕒 Lesedauer ca. 8 Minuten 📅 Aktualisiert 10/2026

Warum Tieftemperaturprüfungen?

Viele Werkstoffe verhalten sich bei Raumtemperatur gutmütig — und versagen bei Kälte spröde und plötzlich. Bekanntes Beispiel: Der Stahl der Titanic, der in −2 °C kaltem Atlantikwasser auf den Eisberg prallte und praktisch keine Energie absorbierte. Moderne Normen schreiben deshalb vor, dass sicherheitsrelevante Bauteile bei der Prüftemperatur mindestens der niedrigsten Betriebstemperatur des späteren Einsatzortes standhalten müssen.

Anwendungsfelder, die Tieftemperaturprüfungen erfordern:

🛢
Öl- & Gasindustrie

LNG-Tanks, arktische Pipelines, Offshore-Plattformen in arktischen Gewässern oder Alaska. bis −165 °C (LNG)

⚗️
Chemie & Pharma

Reaktoren, Druckbehälter und Rohrleitungssysteme für kryogene Medien. bis −196 °C (LN₂)

🚀
Luft- & Raumfahrt

Treibstofftanks, Ventile und Strukturbauteile für den Einsatz bei Tieftemperatur. bis −269 °C (LHe)

🔩
Maschinenbau / Stahl

Schweißverbindungen, Kran- und Brückenbauteile in Kältezonen. bis −60 °C

Temperaturbereich Bezeichnung Typische Kühlmedien Prüf-Norm (Auswahl)
0 °C … −40 °C Tiefkälte Kältebäder, Kältemaschine, Tiefkühlschränke und -truhen ISO 148-1, ISO 6892-1, ISO 6892-2, ISO 6892-3
−40 °C … −100 °C Tiefstkälte ULT Freezer, Trockeneis/Ethanol, CO₂ ISO 148-1, EN 10045
−100 °C … −196 °C Kryogen (LN₂) Flüssigstickstoff ASTM E23, ISO 6892-3
unter −196 °C Kryogen (LH₂/LHe) Flüssigwasserstoff, -helium ASTM E1450

Zugversuch bei Tieftemperatur

ISO 6892-3 · DIN 50125 · ASTM E1450

Tieftemperatur-Zugversuch

−10 °C … −269 °C

Der Zugversuch bei tiefen Temperaturen liefert Kennwerte wie Streckgrenze Rp0,2, Zugfestigkeit Rm, Bruchdehnung A und Brucheinschnürung Z unter kryogenen Bedingungen. Die Probengeometrie richtet sich nach DIN 50125 (Rundproben Typ B/D oder Flachproben). Entscheidend ist die Probenvorbereitung: Die Probe muss gleichmäßig auf Prüftemperatur abgekühlt und bis zum Bruch auf dieser Temperatur gehalten werden.

Konditionierung: Für Temperaturen bis −80 °C werden Ultratiefkühlgeräte (ULT Freezer) oder Flüssigthermostate (z.B. Silikon- oder Ethanol-Kältebäder) eingesetzt. Unterhalb −80 °C kommt ausschließlich Stickstoff in Frage. Haltezeit typisch 10–30 min nach Erreichen der Solltemperatur.

Norm-Prüftemperatur
−196 °C / −269 °C
Probengeometrie
DIN 50125 Typ B/D
Haltezeit
≥ 10 min
Kühlmedium (−196 °C)
LN₂
ISO 6892-3 ASTM E1450 Stahl Aluminium Kupfer LNG-Werkstoffe
Probengeometrie nach DIN 50125: Die Norm definiert mehrere Probentypen für Zugversuche. Für Tieftemperaturanwendungen werden häufig Rundproben (Typ A/B, Ø 4–20 mm) bevorzugt, da sie eine homogenere Temperaturverteilung ermöglichen als breite Flachproben.

Kerbschlagversuch bei Tieftemperatur

ISO 148-1 · EN 10045 · ASTM E23

Kerbschlagbiegeversuch (Charpy)

+20 °C … −196 °C

Der Charpy-Versuch ist die wichtigste Methode zur Bestimmung der Zähigkeitseigenschaften von Stählen bei tiefen Temperaturen. Ein gekerbter Probestab (10 × 10 × 55 mm) wird nach Konditionierung auf Prüftemperatur durch ein Pendel schlagartig gebrochen. Die absorbierte Schlagarbeit KV₂ (in Joule) ist das Maß für die Zähigkeit.

Besonders kritisch: Der Übergang vom zähen zum spröden Bruchverhalten — die sogenannte Steilabfall-Temperatur (DBTT, Ductile-Brittle Transition Temperature). Normen wie EN 10225 für Offshore-Stähle schreiben Mindestwerte von 27 J oder 40 J bei −40 °C bis −60 °C vor. Die Proben müssen innerhalb von 5 Sekunden (ISO 148-1) aus der Kälte entnommen und gebrochen werden.

Probengröße
10 × 10 × 55 mm
Kerbform
V-Kerb 2 mm
Max. Transferzeit
≤ 5 s (ISO 148-1)
Toleranz Prüftemp.
±2 °C
ISO 148-1 EN 10045 ASTM E23 Baustahl Schweißnaht Druckbehälter Offshore
⚠️ Zeitkritische Transferphase:
ISO 148-1 erlaubt maximal 5 Sekunden zwischen Entnahme aus dem Kältebad und dem Auslösen des Pendelschlags. Wird die Zeit überschritten, erwärmt sich die Probe merklich — besonders bei dünnen Stäben — und das Ergebnis ist ungültig. In der Praxis wird daher ein spezieller Transfer-Greifer eingesetzt, der die Probe kontrolliert hält.

Weitere Prüfverfahren bei Tieftemperatur

ISO 5173 · EN ISO 5173

Biegeversuch an Schweißverbindungen

−20 °C … −196 °C

Schweißverbindungen von LNG-Tanks oder kryogenen Rohrleitungen werden bei Tieftemperatur auf Biegefähigkeit geprüft. Eine Flachprobe aus der Schweißnahtzone wird um einen definierten Dorn gebogen — die Naht darf dabei keine Risse zeigen. Der Versuch prüft gleichzeitig Schweißgut, Wärmeeinflusszone und Grundwerkstoff.

ISO 5173 Schweißnaht LNG-Tanks Kryogen
ISO 12135 · ASTM E1820

Bruchmechanische Prüfung (KIc, J-Integral)

−100 °C … −196 °C

Für sicherheitskritische Bauteile reicht der Charpy-Test alleine nicht aus. Die Bruchmechanikprüfung bestimmt den Bruchzähigkeitswert KIc oder das J-Integral — Kennwerte für die Berechnung zulässiger Rissgrößen. Bei tiefen Temperaturen steigt die Sprödbruchanfälligkeit, weshalb diese Versuche für Druckbehälter nach AD-Regelwerk oder ASME obligatorisch sind.

ISO 12135 ASTM E1820 KIc Druckbehälter ASME
ISO 6507 · ASTM E92

Härteprüfung bei Tieftemperatur

−60 °C … −150 °C

Bei vielen Metallen und Legierungen steigt die Härte mit sinkender Temperatur — während manche Kunststoffe und Elastomere glasartig werden. Tieftemperatur-Härtemessungen (Vickers, Rockwell) liefern Daten für die Modellierung des Werkstoffverhaltens und die Auslegung von Verbindungselementen in kryogenen Anlagen.

ISO 6507 Vickers Elastomere Dichtungen
ISO 1099 · ASTM E466

Ermüdungsversuch (Wöhler) bei Tieftemperatur

−40 °C … −196 °C

Kryogene Anlagen durchlaufen regelmäßige Druck- und Temperaturwechsel (thermisches Cycling). Ermüdungsversuche bei tiefen Temperaturen bestimmen die Lebensdauer von Bauteilen unter zyklischer Belastung. Besonders relevant für LNG-Pumpen, Ventile und Wärmetauscher. Bei Stählen kann Kälte die Ermüdungsfestigkeit erhöhen — bei austenitischen Stählen bleibt sie üblicherweise konstant.

ISO 1099 Wöhlerkurve LNG-Pumpen Zyklische Belastung
ISO 6892-1 + Kriechansatz

Relaxations- und Kriechversuche (Schrauben / Dichtungen)

−60 °C … −196 °C

Schraubenverbindungen an Flanschsystemen kryogener Leitungen müssen über Jahrzehnte dicht bleiben. Relaxationsversuche messen, wie stark eine Vorspannkraft bei tiefer Temperatur abfällt. Ebenso werden Dichtelemente (Metallbalgventile, PTFE-Dichtungen) auf Kriechverhalten getestet — Tieftemperatur kann Kriechprozesse verlangsamen, aber auch zu Sprödigkeit und Dichtverlust führen.

ISO 6892-1 Flanschverbindungen PTFE Vorspannkraft
ISO 15156 · NACE MR0175

Tieftemperatur-Korrosionstests

−20 °C … −80 °C

Arktische Pipelines sind nicht nur Kälte, sondern auch salzhaltiger Feuchtigkeit und CO₂/H₂S-haltigen Medien ausgesetzt. Kombinierte Tieftemperatur-Korrosionsversuche prüfen Spannungsrisskorrosion (SCC) und Wasserstoffversprödung unter realistischen Bedingungen. Die Proben werden in temperierten Autoklaven oder Kältebädern mit dem korrosiven Medium beaufschlagt.

ISO 15156 NACE MR0175 Arktische Pipelines SCC H₂S
DIN EN ISO 10113 · ASTM E517

Tiefzieh- und Umformbarkeitsversuche

−40 °C … −100 °C

Für austenitische Edelstähle (z.B. 1.4306, 1.4301) in kryogenen Behältern sind Umformversuche bei tiefen Temperaturen relevant — insbesondere die Bestimmung der r-Werte und Umformgrenzkurven. Tieftemperatur begünstigt bei metastabilen Austeniten die Martensitbildung, was Umformbarkeit und Magnetisierung beeinflusst.

ISO 10113 Austenitische Stähle Martensit Tiefziehen
ISO 14273 · AWS D1.1

Scherversuch an Schweißpunkten

−40 °C … −80 °C

Widerstandspunktgeschweißte und lasergeschweißte Verbindungen in kryogenen Strukturen (z.B. Flüssiggas-Tankcontainer, LNG-Fahrzeuge) werden durch Scherversuche bei Tieftemperatur geprüft. Das Versagen darf nicht durch Sprödbruch im Schweißlinsenbereich erfolgen. Relevant auch für die Auslegung von Schienenfahrzeugen im arktischen Einsatz.

ISO 14273 Punktschweißung LNG-Container Arktis-Fahrzeuge

Kältefügen: Bauteile unterkühlen für die Montage

Tiefkälte wird in der Industrie nicht nur zum Prüfen gebraucht, sondern auch beim Fügen. Beim Kältefügen (auch Kaltdehnen, früher Kaltschrumpfen genannt) wird das Innenteil – Welle, Bolzen, Buchse, Lagerring oder Ventilsitzring – so weit abgekühlt, dass es sich zusammenzieht und mit wenig oder ganz ohne Kraft in die Bohrung passt. Beim Erwärmen auf Raumtemperatur dehnt es sich wieder aus: Es entsteht eine Dehnverbindung, also ein Querpressverband, der Drehmomente und Axialkräfte rein kraftschlüssig überträgt.

DIN 7190 · Pressverbände

Querpressverband durch Unterkühlen des Innenteils

−40 °C … −196 °C

Die Alternative ist das Schrumpfen, also das Erwärmen des Außenteils. Kältefügen ist im Vorteil, wenn das Außenteil groß, schwer oder wärmeempfindlich ist – etwa Gehäuse mit eingebauten Dichtungen, vormontierte Baugruppen oder gehärtete und beschichtete Teile. Das Gefüge bleibt weitgehend unverändert, es entstehen weder Anlauffarben noch Zunder. Gegenüber dem reinen Einpressen (Längspressverband) werden die Fügeflächen nicht verrieben, die Verbindung hält deshalb bei gleichem Übermaß mehr. Bei großem Übermaß werden beide Verfahren kombiniert: Außenteil erwärmen, Innenteil unterkühlen.

Wie viel Fügespiel entsteht? Näherungsweise gilt Δd = α · d · ΔT. Ein Stahlbolzen mit 50 mm Durchmesser (α ≈ 11–12 · 10⁻⁶/K) wird beim Abkühlen von +20 °C auf −80 °C um rund 0,05–0,06 mm kleiner. In Flüssigstickstoff (−196 °C) sind es etwa 0,1 mm – nicht ganz das Doppelte, weil der Ausdehnungskoeffizient mit sinkender Temperatur abnimmt. Aluminium schrumpft bei gleicher Abkühlung etwa doppelt so stark wie Stahl.

ULT Freezer
bis −86 °C
Trockeneis
−78,5 °C
Flüssigstickstoff
−196 °C
Stahl Ø 50 mm, −80 °C
≈ 0,05–0,06 mm
DIN 7190 Querpressverband Wälzlager Buchsen Ventilsitzringe Wellen & Bolzen
Kühlmethode Temperatur Geeignet für
Tiefkühlschrank / -truhe −20 °C … −40 °C kleine Übermaße, als Ergänzung zum Erwärmen des Außenteils
ULT Freezer (Schrank oder Truhe) bis −86 °C Serienmontage: Teile chargenweise vorkühlen, jederzeit griffbereit, ohne Verbrauchsmaterial
Trockeneis −78,5 °C gelegentliche Montage, Einsätze vor Ort
Flüssigstickstoff (LN₂) −196 °C große Übermaße und Durchmesser – mit O₂-Überwachung und Kälteschutz
Praxis-Hinweise zum Kältefügen:
Durchkühlen: Luft überträgt Wärme deutlich langsamer als ein Flüssigkeitsbad. Kleine Buchsen sind im ULT Freezer nach kurzer Zeit durchgekühlt, massive Wellen brauchen Stunden – für die Serie Teile vorab einlagern.
Tragfähigkeit: Schwere Stahlteile belasten Fachböden stärker als Probenracks. Zulässige Last pro Boden prüfen; für große Teile ist eine ULT-Truhe oft die bessere Wahl. Viel warme Masse auf einmal lässt die Innentemperatur ansteigen – lieber in Chargen einlagern.
Zügig fügen: Das Teil erwärmt sich sofort nach der Entnahme. Bohrung und Werkzeug vorbereiten, mit Kälteschutzhandschuhen oder Zange arbeiten.
Kondenswasser: Kalte Teile beschlagen und bereifen. Feuchtigkeit in der Fuge fördert Korrosion – Teile nach dem Fügen trocknen bzw. konservieren.
Werkstoff: Kunststoff- und Gummiteile (Dichtungen, Käfige) verspröden in der Kälte. Bei Wälzlagern die Herstellerangaben zur zulässigen Mindesttemperatur beachten. Gehärtete Teile mit Restaustenit können sich in Flüssigstickstoff bleibend verändern – im Zweifel Rücksprache mit dem Hersteller. Tiefgekühlte Stahlteile nicht mit dem Hammer einschlagen.

Kühlmedien und Kühltechnik für Prüflabore

Die Wahl des Kühlmediums hängt von der Zieltemperatur und den Sicherheitsanforderungen ab. In industriellen Prüflabors kommen diese Systeme zum Einsatz:

🧊

Kältethermostate / Kältebäder

Für Temperaturen bis ca. −80 °C. Verwendung von Silikonöl, Ethanol oder Kältebadflüssigkeiten. Präzise Temperaturregelung (±0,5 °C), ideal für Charpy-Konditionierung.

0 °C … −80 °C
🧯

Trockeneis / CO₂

Einfache, mobile Lösung für −78,5 °C (CO₂-Sublimationspunkt). Häufig als Trockeneis/Ethanol-Mischung für definierte Zwischentemperaturen eingesetzt.

−60 °C … −78 °C
💧

Flüssigstickstoff (LN₂)

Standardmedium für kryogene Prüfungen bis −196 °C. In Dewargefäßen oder Stickstoff-Lagersystemen bereitgehalten. Sicherheitshinweis: Erstickungsgefahr durch N₂-Ausgasung in geschlossenen Räumen.

bis −196 °C
❄️

(Ultra-)tiefkühlschränke / Klimakammern

Für Langzeitversuche und Ermüdungsprüfungen. Halten Proben im Prüfzustand über Stunden oder Tage konstant auf Temperatur.

−70 °C … −150 °C
⚠️
Sicherheit beim Umgang mit Flüssigstickstoff:
LN₂ verdampft zu gasförmigem Stickstoff mit 700-fachem Volumen. In schlecht belüfteten Räumen besteht akute Erstickungsgefahr. Pflicht sind: kontinuierliche O₂-Überwachung im Labor, PSA (Kälteschutzhandschuhe, Gesichtsschutz), geprüfte Dewargefäße und Sicherheitsventile.
Geltende Vorschrift: DGUV Regel 100-500, TRGS 513.

Geräte für die Probenvorbereitung

Industrielle Prüflabore benötigen zuverlässige Kältetechnik zur Konditionierung der Proben. Je nach Prüfverfahren und Temperaturbereich eignen sich unterschiedliche Gerätetypen:

Geräteklasse Typischer Bereich Einsatz bei folgenden Prüfungen
Labortiefkühlschrank ULT −40 °C … −86 °C Charpy-Konditionierung, Zugproben, Kältefügen
Kältebad / Kältethermostat 0 °C … −80 °C Charpy, Biegeversuche, Zugproben
Trockeneis-Kältebad −60 °C … −78 °C Charpy, Zugproben, Ermüdung, Kältefügen
Flüssigstickstoff-Dewargefäß bis −196 °C Zugversuch, Bruchmechanik, Charpy, Kältefügen (großes Übermaß)
Temperaturkammer −70 °C … −150 °C Ermüdung, Kriech-, Relaxationsversuche

Fazit

Tieftemperaturprüfungen sind in der Industrie kein Nischenthema, sondern sicherheitsrelevante Pflichtprüfungen überall dort, wo Werkstoffe bei tiefen Temperaturen eingesetzt werden. Vom klassischen Charpy-Versuch nach ISO 148-1 bis zum kryogenen Zugversuch nach ISO 6892-3 oder bruchmechanischen Messungen nach ASTM E1820 reicht das Methodenspektrum weit. Allen Verfahren gemeinsam ist die Anforderung an die zuverlässige und reproduzierbare Kühltechnik — ob Kältebad, ULT-Freezer oder Flüssigstickstoffsystem.

Auch in der Montage ist Kälte ein Werkzeug: Beim Kältefügen ersetzt ein unterkühltes Innenteil die Einpresskraft – reproduzierbar und ohne Wärmeeinfluss auf das Bauteil.

Die Auswahl des richtigen Kühlgeräts hängt von der Zieltemperatur, den Probenabmessungen, der Chargenfrequenz im Labor und den Sicherheitsanforderungen ab. Gerne beraten wir Sie bei der Auswahl des passenden Geräts für Ihr Prüflabor oder Ihre Montage.

Sie planen neben Werkstoffprüfungen auch Rückstellmuster oder die Kulturlagerung, z. B. in der Lebensmittel- und Molkereiindustrie? Mehr dazu im Ratgeber Rückstellmuster richtig lagern sowie gebündelt auf unserer Seite Kühltechnik für die Industrie.

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