Kerbschlagbiegeversuch

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Einleitung

Der Kerbschlagbiegeversuch ist ein 1905 von Augustin Georges Albert Charpy eingeführtes Verfahren der Werkstoffprüfung, mit dem relativ schnell und einfach Zähigkeitseigenschaften von Werkstoffen bestimmt werden können. Dabei wird das Verhalten eines länglichen Quaders, der einseitig gekerbt (meist V-, seltener U-Kerbe) und im temperierten Zustand (gekühlt oder erwärmt) ist, bei hoher Verformungsgeschwindigkeit (Schlagbeanspruchung) untersucht. Hierzu wird ein Pendelschlagwerk verwendet. Die Kerbschlagarbeit K (Kerbschlagzähigkeit) ist ein Maß für die Widerstandsfähigkeit eines  Werkstoffes  gegen eine schlagartige (dynamische) Beanspruchung. Die Einheit ist die geleistete Kerbschlagarbeit  [J]. Bei metallischen Werkstoffen ist die Kerbschlagzähigkeit ein wichtiger Richtwert, der wesentliche Eigenschaften des Werkstoffes erfasst. 

• Der Kerbschlagbiegeversuch nach Charpy ist nicht nur wegen seiner einfachen und Kostengünstigen Versuchsdurchführung von großer Bedeutung, sondern vor allem wegen der Erfassung der wichtigsten Zähigkeitsrelevanten Parameter (mehrachsiger Spannungszustand, Temperatur, Beanspruchungsgeschwindigkeit).
• In den Normenwerken finden sich neben Mindestanforderungen der Festigkeit in der Regel auch Mindestwerte für die Zähigkeit (Kerbschlagarbeit).
• Beim Kerbschlagbiegeversuch wird mit Hilfe eines Pendelschlagwerkes eine gekerbte Normprobe zerschlagen.
• Als Maß für die Zähigkeit des zu prüfenden Werkstoffes wird beim Kerbschlagbiegeversuch diejenige Arbeit angesehen, die zum Zerschlagen der der Probe erforderlich ist.

Die Prüfung des Zähigkeitsverhaltens von Werkstoffen ist von großer Bedeutung.

Der Kerbschlagbiegeversuch ist in den folgenden Normenwerken genormt:

• DIN EN ISO 148-1, Metallische Werkstoffe - Kerbschlagbiegeversuch nach Charpy - Teil 1: Prüfverfahren
• ASTM E 23, Standard Test Methods for Notched Bar Impact Testing of Metallic Materials
  • Die Prüfung nach ASTM stellt eine erhöhte Anforderung an das Pendelschlagwerk als die ISO Prüfung.

Was ist Zähigkeit?

Unter der Zähigkeit eines Werkstoffes oder eines Bauteiles versteht man die Fähigkeit, von außen zugeführte Energie in plastische Verformungsarbeit umzuwandeln, ohne das ein Anriss oder Bruch eintritt. Sie beschreibt also die Widerstandsfähigkeit eines Werkstoffes gegen Bruch oder Rissausbreitung. Die Zähigkeit ist keine Werkstoffeigenschaft, da Sie in hohem Maße von äußeren Einflüssen abhängt.

• Diese Sind insbesondere:
  • mehrachsige Spannungszustände,verursacht durch Kerben, große Wanddicken, oder Schweißnähte
  • schlagartige Beanspruchung
  • tiefe Temperaturen

Ein Werkstoff ist daher nicht zäh oder spröde, sondern er verhält sich zäh oder spröde!

Kerbschlagbiegeversuch

Der Kerbschlagbiegeversuch dient zur Beurteilung der Zähigkeit von Stahl und Stahlguß, er eignet sich vor allem für die Überwachung der Wärmebehandlung und für den Nachweis der Neigung zum Trennbruch (z.B. nach Alterung oder im anlaßspröden Zustand) sowie zur Untersuchung von Stumpfschweißnähten. Die dabei verbrauchte Schlagarbeit ist ein Maß für die Widerstandsfähigkeit des Werkstoffes gegen schlagartige Beanspruchung. Das ist die verbrauchte Schlagarbeit(K, in (J)), sie wird auch Kerbschlagarbeit genannt und in [J] Joule gemessen. Ebenfalls gehört die Bestimmung von "Tü" = Übergangstemperatur zu diesen Kennwerten.

• Neben dem Kerbschlagbiegeversuch gibt es noch weitere Versuche zur Bestimmung des Sprödbruchsicherheit bzw. Werkstoffzähigkeitdies, zu den wichtigsten gehören:
  • Kerbzugversuch
  • Pellini Versuch (Stahl-Eisen-Prüfblatt 1325)
  • Robertson Versuch

Der Kerbschlagbiegeversuch ist einer der wichtigsten Versuche, dass Zähigkeitsverhalten von Werkstoffen zu bestimmen.

Versuchsdurchführung

Wie wird die Kerbschlagarbeit (Kerbschlagzähigkeit) ermittelt? Für die Beurteilung der Sprödbruchsicherheit müssen Prüfbedingungen gewählt werden, die einen spröden Anriss auslösen können. Solche Bedingungen sind:

• tiefe Temperaturen (Tieftemperaturversprödung)
• hohe Beanspruchungsgeschwindigkeit (Schlagversprödung)
• mehrachsige Spannungszustände (Spannungsversprödung)
• werkstoffbereiche, die einen spröden Riss initiieren können (z.B. ungünstige Gefügezustände oder Eigenspannungen in Schweißnahtbereichen)

Um eine sichere Prüfung zu Gewährleisten müssen absolut vergleichbare Prüfbedingungen hergestellt werden.

Welche Prüfbedingungen müssen eingehalten werden, damit die Prüfergebnisse reproduzierbar sind?

• im Kerbgrund der Proben dürfen mit bloßem Auge keine Riefen erkennbar sein, die parallel zum Kerbgrund verlaufen
• die Proben dürfen nicht an Flächen gekennzeichnet werden die mit Auf- und Widerlager in Berührung kommen
• die Kennzeichnung muss mindestens 5mm vom Kerb entfernt erfolgen, dadurch wird eine Beeinflussung durch Kaltverfestigung vermieden
• die Auftreffgeschwindigkeit des Hammers ist genormt und muß gewährleistet sein
• das Pendelschlagwerk muss starr ausgeführt und standfest aufgestellt sein und der EN-Norm 10045-2 entsprechen
• die Grenzmaße der Proben, siehe Tabelle 2./EN-10045 Teil 1 müssen eingehalten werden
• die Kerbschlagarbeitswerte dürfen nur unter gleichen Bedingungen verglichen werden.

Wie bezeichnet man die Bruchflächen der Verschiedenen Brucharten?

Bruchart	Beschreibung	Bild
Trennbruch	transkristaline Bruchfläche
Verformungsbruch	sehniges Aussehen der Bruchfläche
Mischbruch	beide Arten der Bruchfläche treten auf

Wie kann die Lage des Steilabfalls in der KVT-Kurve angegeben werden? Die Lage des Steilabfalls wird mit Hilfe von Tü =Übergangstemperatur angegeben.

Wodurch wird der Steilabfall nach links und wodurch nach rechts auf der Prüftemperatur Achse verschoben? Änderung der Versuchsbedingungen: Probe länger Verschiebung des Steilabfalls nach links. Probe breiter Verschiebung des Steilabfals nach rechts. Kerb schärfer Verschiebung des Steilabfals nach rechts. Kerb tiefer Verschiebung des Steilabfals nach rechts. Schlaggeschwindigkeit größer Verschiebung des Steilabfals nach rechts. Auflagerentfernung größer Verschiebung des Steilabfals nach links. Werkstoff vergütet Verschiebung des Steilabfals nach links. (gegenüber dem normalgeglühtem Zustand) überhitzt Verschiebung des Steilabfals nach rechts. kaltverformt Verschiebung des Steilabfals nach rechts. gealtert Verschiebung des Steilabfals nach rechts.

Formelzeichen

Kurzzeichen	Einheit	Bedeutung
K	J	Kerbschlagarbeit (J)
m	Kg	Masse des Pendelhammers
g		Erdbeschleunigung
H	m	Fallhöhe des Pendelhammers vor dem Schlag
h	m	Steighöhe des Pendelhammers nach dem Schlag
Tü	°C	Übergangstemperatur