Kerbschlagbiegeversuch Metallen Anleitung Verfahren

Der Kerbschlagbiegeversuch von Metallen Anleitung: Erfahren Sie das Verfahren zur Bestimmung der Kerbschlagzähigkeit und des Übergangsverhaltens in der German Werkstoffprüfung.

In der modernen Werkstofftechnik ist die Kenntnis der mechanischen Eigenschaften von Materialien unter verschiedenen Beanspruchungen unerlässlich. Eine der kritischsten Eigenschaften, insbesondere bei Konstruktionen, die Temperaturschwankungen und schlagartiger Belastung ausgesetzt sind (z.B. Brücken, Druckbehälter oder Fahrzeugrahmen), ist die Zähigkeit. Der Kerbschlagbiegeversuch – oft nach Charpy benannt – ist das Standardverfahren, um die Fähigkeit eines Werkstoffs zu bestimmen, Energie bei schlagartiger Beanspruchung zu absorbieren.¹ Als erfahrener Ingenieur in der German Werkstoffprüfung weiß ich, dass dieser Versuch nicht nur einen numerischen Wert (Kerbschlagzähigkeit) liefert, sondern auch Aufschluss über das potenziell gefährliche Sprödbruchverhalten gibt. Dieser Artikel bietet Ihnen eine detaillierte Anleitung und Erklärung des Verfahrens.

Wichtige Erkenntnisse (Key Takeaways)

• Der Kerbschlagbiegeversuch von Metallen Anleitung dient zur Bestimmung der Kerbschlagzähigkeit (A_v oder K_v) in Joule (J).

• Die Probe ist genormt (meist 10x10x55 mm) und besitzt eine definierte Kerbe (V- oder U-Form) zur Konzentration der Spannung.²

• Die Kerbschlagzähigkeit ist ein Maß für die Fähigkeit des Werkstoffs, Energie beim Bruch unter schlagartiger Belastung zu absorbieren.

• Der Versuch ist entscheidend zur Ermittlung der Sprödbruch-Übergangstemperatur, unterhalb derer ein Werkstoff schlagartig spröde wird (insbesondere bei ferritischen Stählen).

• Durchführung: Ein Pendelhammer wird aus definierter Höhe freigegeben, schlägt die gekerbte Probe und schwingt auf die Restenergiehöhe aus. Die Differenz misst die aufgenommene Energie.

• German Normen (z.B. DIN EN ISO 148-1) legen die genauen Anforderungen an die Probenform, die Prüfmaschine und das Verfahren fest.

Überblick

• Ziel: Messung der Energieabsorption unter schlagartiger Beanspruchung.

• Verfahren: Charpy-Versuch (Pendelschlagwerk).

• Ergebniswert: Kerbschlagzähigkeit (A_v) in J.

• Hauptanwendung: Bestimmung des duktil-spröde Übergangsverhaltens (Temperaturabhängigkeit).

• Probe: Genormter Probenstab mit definierter Kerbe (Spannungskonzentration).

Die theoretische Grundlage: Warum der Kerbschlagbiegeversuch von Metallen Anleitung?

Bevor wir zur Anleitung kommen, ist das Verständnis des Ziels wichtig.

1. Kerbschlagzähigkeit und Sprödbruch

Viele Metalle, insbesondere Stähle mit kubisch-raumzentriertem Gitter (krz), zeigen bei sinkender Temperatur einen Übergang von duktilem (zähplastischem) zu sprödem Bruchverhalten.

• Duktiler Bruch: Der Werkstoff absorbiert viel Energie durch plastische Verformung.³ Die Bruchfläche ist faserig und rau.

• Spröder Bruch: Der Werkstoff bricht fast ohne plastische Verformung, nimmt wenig Energie auf. Die Bruchfläche ist glatt und kristallin.

Der Kerbschlagbiegeversuch liefert die Kerbschlagzähigkeit (A_v), die ein Indikator für dieses Verhalten ist. Hohe A_v-Werte bedeuten hohe Zähigkeit.

2. Der Kerbeffekt

Die Kerbe in der Probe dient zur Spannungskonzentration. In realen Bauteilen entstehen Spannungsspitzen oft an Schweißnähten, Kanten oder Materialfehlern. Die Kerbe simuliert diese Inhomogenitäten und zwingt den Werkstoff, unter ungünstigen Bedingungen zu versagen.

Die Durchführung: Kerbschlagbiegeversuch von Metallen Anleitung Verfahren

Der Versuch wird in einem Pendelschlagwerk durchgeführt, das die schlagartige Belastung simuliert.

1. Die genormte Probe

Für den Standard-Charpy-Versuch in German Prüflaboren wird meist die genormte Probe nach DIN EN ISO 148-1 verwendet:

• Abmessungen: ⁴10 \times 10 \times 55 mm.⁵

• Kerbenform: Meist V-Kerbe (45° Winkel, 2 mm tief, 0,25 mm Radius an der Kerbspitze).⁶ Die Kerbe muss exakt in der Mitte der Probe platziert sein.

2. Der Versuchsablauf

1. Vorbereitung: Die Probe wird präzise in die Auflage des Pendelschlagwerks gelegt, wobei die Kerbe zur Schlagrichtung hin ausgerichtet ist.

2. Konditionierung (Temperatur): Die Probe wird auf die gewünschte Prüftemperatur gebracht (z.B. von -196^\circC bis +200^\C). Das Halten der Temperatur ist kritisch.

3. Auslösen: Der Pendelhammer wird aus einer definierten Höhe (H) freigegeben. Seine potenzielle Energie ist bekannt (⁷E_ = m \ g \ H).⁸

4. Schlag und Bruch: Der Hammer trifft die Probe mittig hinter der Kerbe und durchschlägt sie. Die beim Bruch aufgenommene Energie wird von der kinetischen Energie des Hammers abgezogen.

5. Ausschwingen: Der Hammer schwingt auf eine niedrigere Höhe (H’) aus.

Die beim Bruch absorbierte Kerbschlagarbeit (A_v) berechnet sich aus der Differenz der potenziellen Energie vor dem Schlag und der Restenergie nach dem Durchschlagen der Probe.

Auswertung und Interpretation der Ergebnisse

Der numerische Wert der Kerbschlagzähigkeit ist nur ein Teil der Auswertung.

1. Der Zähigkeitswert (A_v)

Der Wert A_v wird in Joule (J) angegeben. Je höher der Wert, desto zäher ist das Material bei dieser Temperatur.

• Anwendung: In der Praxis werden oft Mindestwerte für A_v bei kritischen Einsatztemperaturen gefordert (z.B. 27 J bei -20C).

2. Der Duktil-Spröde Übergang

Um das Übergangsverhalten zu bestimmen, muss eine Versuchsreihe bei verschiedenen Temperaturen durchgeführt werden. Die gemessenen A_v-Werte werden in Abhängigkeit von der Temperatur grafisch dargestellt.

• Ergebnis: Die Kurve zeigt typischerweise einen hohen plateauartigen A_v-Wert bei hohen Temperaturen (duktiler Bereich) und einen niedrigen A_v-Wert bei tiefen Temperaturen (spröder Bereich). Der Bereich, in dem der Wert stark abfällt, ist die Übergangszone.

• Übergangstemperatur: Die Übergangstemperatur (T_Ü) ist die Temperatur, bei der die Zähigkeit kritisch abfällt (oft definiert bei einem bestimmten A_v-Wert oder einem bestimmten Bruchflächenanteil).

3. Begutachtung der Bruchfläche

Nach dem Versuch wird die Bruchfläche visuell beurteilt. Dies ist ein wichtiger qualitativer Schritt:

• Faseriger Anteil: Deutet auf einen duktilen Bruch hin.

• Kristalliner Anteil: Deutet auf einen spröden Bruch hin.

Ein hoher prozentualer Anteil an faserigem Bruch bei der Einsatztemperatur ist ein Zeichen für die Sicherheit des Bauteils. Die korrekte Kerbschlagbiegeversuch von Metallen Anleitung gewährleistet, dass diese kritischen Materialeigenschaften zuverlässig ermittelt werden.