(WT3-27) – Kerbschlagbiegeversuche

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In diesem Kurstext stellen wir dir ganz einfach den Kerbschlagbiegeversuch nach Charpy und Abwandlungen von diesem vor. 

Für ein optimales Verständnis helfen dir ein ausführlicher Videoclip und zwei anschauliche Rechenbeispiele zu dem Thema.

Mehr zu diesem Thema und der Werkstofftechnik findest du im Kurs: WT3-Werkstoffprüfung

 

Kerbschlagbiegeversuch – Definition

Der Kerbschlagbiegeversuch untersucht das Bruchverhalten von metallischen Werkstoffen mit einer Kerbe bei einer schlagartigen Beanspruchung.”

 

++Videoclip – Kerbschlagbiegeversuch – Überblick

In diesem Videoclip erhältst du einen ersten Überblick zum Kerbschlagbiegeversuch nach Charpy. Viele weitere Informationen hierzu findest du in diesem Abschnitt des Kurses.

 

Kerbschlagbiegeversuch – Motivation

Bisher haben wir immer den Zugversuch genutzt um Aussagen zur Zähigkeit eines Werkstoffes zu treffen. 

Diese Geltungsbereich bezieht sich aber immer auf eine statische Belastung der Probe bei Raumtemperatur. 

Im Alltag und speziell in der Industrie sind Werkstoffe jedoch häufig einer dynamischen, stoßartigen Belastung ausgesetzt. Auch die Temperatur kann sehr niedrige als auch sehr hohe Werte annehmen. Um diesen Ansprüchen gerecht zu werden, nutzt man den Kerbschlagbiegeversuch.

 

Ein Paradebeispiel vom Bauteilen, die allen Faktoren gerecht werden müssen, sind Stoßdämpfer. Diese müssen sowohl im Winter bei sehr niedrigen Temperaturen und im Hochsommer bei erhöhten Temperaturen einwandfrei funktionieren. 

 

Kerbschlagbiegeversuch - Stoßdämpfer
Kerbschlagbiegeversuch – Stoßdämpfer

 

Besonders die Sprödigkeit eines Werkstoffes, die bei tiefen Temperaturen auftritt, kann durch den Zugversuch nicht abgebildet werden.

 

Arten von Sprödigkeit und die Ursachen für deren Auftreten sind

  • Geschwindigkeitsversprödung
  • Temperaturversprödung
  • Spannungsversprödung

 

Geschwindigkeitsversprödung 

Die Geschwindigkeitsversprödung am Werkstoff tritt als Folge von erhöhten Verformungsgeschwindigkeiten auf. 

 

Temperaturversprödung

Die Temperaturversprödung am Werkstoff ist die Folge von sehr niedrigen Temperatureinflüssen.

 

Spannungsversprödung

Die Spannungsversprödung am Werkstoff erfolgt durch gleichsinnige, mehrachsige Spannungszustände.

 

Kerbschlagbiegeversuch – Grundlagen

Das Ziel des Kerbschlagbiegeversuchs ist das Verhalten von Werkstoffen bei Vorhandensein einer Kerbe und einer schlagartigen Beanspruchung zu untersuchen. Es ist ein einfaches und schnelles Verfahren.

Wer hat’s erfunden?..

Erstmalig wurde der Kerbschlagbiegeversuch im Jahr 1905 von Augustin Georges Albert Charpy eingeführt. Es handelt sich um eine Verfahren der Werkstoffprüfung welches sich für Metalle und Polymere eignet um die Zähigkheitseigenschaften eines Werkstoffes zu bestimmen.

 

  • Die Organisation des Kerbschlagbiegeversuchs für Metalle ist in DIN EN ISO 148-1 normiert.
  • Die Organisation des Kerbschlagbiegeversuchs für Kunststoffe ist in DIN EN ISO 179-1 normiert.

 

Probe

Für den Versuch sind unterschiedliche Probenabmessung genormt. Zu finden sind diese Angaben ebenfalls in der DIN EN ISO 148-1

Die meisten Proben haben die Erscheinung eines kantigen (4-eckigen) Stabs, also ein länglicher Quader. 

Die Länge der Probe beträgt zumeist 55 mm und der quadratischen Querschnitt hat eine Kantenlänge von 10 mm.

 

Kerbschlagbiegeversuch - Probe
Kerbschlagbiegeversuch – Probe

 

Kerbe

Denn im Gegensatz zu Proben aus weichen metallischen Werkstoffen, die im unversehrten Zustand oft um mehr als 180° gebogen werden können, zerbrechen Proben mit einer eingeschlagenen Kerbe unter einem wesentlich kleineren Winkel. Die Kerbe dient beim Kerbschlagbiegeversuch als definierte Sollbruchstelle

 

Merk’s dir!

Besonders bei schlagartigen Beanspruchungen, die einen Biegung verursachen, lässt sich dieses Werkstoffverhalten beim Vorhandensein einer Kerbe beobachten.

 

Je nach Werkstoff fällt das Vermögungsvermögen, also die Fähigkeit auftretende Spannungen infolge einer hohen Belastungsgeschwindigkeit auszugleichen.

Merk’s dir!

In den meisten Fällen wird die Kerbe beim Kerbschlagbiegeversuch als V-Kerbe realisiert. Das V beschreibt das äußere Erscheinungsbild des Winkels der Kerbe (meist 45°).

 

Kerbschlagbiegeversuch - V-Kerbe
Kerbschlagbiegeversuch – V-

 

Aber auch andere Kerbformen (U-Kerbe [Durchmesser 0,2 mm] – eher seltener) sind möglich, weshalb im Anschluss an den Versuch in den Messergebnissen auch immer die verwendete Kerbform mit einem Kurzzeichen anzugeben ist.

 

Was interessieren mich Kerben?…

Den Kerben kommt im Maschinenbau eine besondere Bedeutung zu, denn durch sie geht immer die Gefahr des Bauteilversagens einher. 

Speziell dynamisch beanspruchte Maschinenteile sind infolge von Kerben viel riss- und bruchanfälliger als Maschinenteile ohne Kerben.

 

Kerbe ist nicht gleich immer Kerbe!…

Du solltest dir auf jeden Fall merken, dass zur Gruppe der Kerben nicht nur herkömmliche kleine Risse im Werkstoff zählen, sondern auch alle anderen Querschnittsänderungen.

 

Konstruktive Kerben

Zur Gruppe der vom Konstrukteur erzeugten Kerben zählen:

  • Bohrungen,
  • Gewinde.
  • Absätze.
  • Nuten,
  • Rillen
  • und weitere

 

Kerbschlagbiegeversuch - Konstruktive Kerbe
Kerbschlagbiegeversuch – Konstruktive Kerbe

 

Materialfehler als Kerben

Hier treten Kerben auf, die zumeist im der Urform– oder Umformphase des Werkstoffes auftreten. Hierzu zählen:

  • Schlackeneinschlüsse
  • Lunker
  • Spröde Gefügebestandteile
  • Grobe Gefügebereiche
  • Poren (offene)

 

Bruch

Beim Kerbschlagbiegeversuch lassen sich besonders zwei Varianten von Brüchen unterscheiden:

  • Sprödbruch: Hier erfolgt der Probenbruch ohne zuvor stattfindende plastische Verformung des Werkstoffs. Man spricht hier auch von einem Trennbruch.

    Die Bruchfläche ist weitestgehend unverformt und besitzt glatte Ränder. Diese Form ist ein Zeichen für die Sprödigkeit des Werkstoffs
  • Zähbruch: Hier hingegen geht dem Probenbruch eine plastische Verformung voraus, bevor es zum Bruch kommt. Alternativ spricht man hier von einem Verformungsbruch

    Die Bruchfläche ist zerklüftet und die Ränder sind gestaucht und eingeschnürt. Diese Form ist ein Zeichen für die Zähigkeit des Werkstoffs

 


Werkstoffe


Der Versuch ist besonders gut für metallische und hochpolymere Werkstoffe geeignet. Hier ist oft das Sprödbruchverhalten von großem Interesse.

Merk’s dir!

Besonders für Stahl kann mit Hilfe des Versuchs der Übergang zwischen Zähbruch und Sprödbruch bei unterschiedlichen Temperaturen bestimmt werden. Man spricht in diesem Zusammenhang auch von Übergangstemperaturen.

 

Berechnung

Anders als bei anderen Versuchen aus dem Bereich der Werkstoffprüfung wird beim Kerbschlagbiegeversuch keine Größe berechnet. Dennoch verschafft es dem Prüfer einen guten Überblick zum Zähigkeitsverhalten eines Werkstoffes gegenüber Beanspruchungen. 

Bedarfsweise können jedoch die

  • Fallarbeit
  • Steigarbeit
  • Gewichtskraft des Pendelhammers

sowie die 

  • Kerbschlagarbeit

und

  • Kerbschlagzähigkeit

errechnet werden.

 

Fallarbeit – Formel

Mit der Fallarbeit W_1 wird die potentielle Energie beschrieben. Sie errechnet sich aus dem Produkt von Gewichtskraft des Pendelhammers F_G und Fallhöhe h_1

 

 \boxed{ W_1 = F_G \cdot h_1}

 

Kennzahlen:

 \boxed{ W_1 = } Fallarbeit

 \boxed{F_G = } Gewichtskraft des Pendelhammers

 \boxed{h_1 = } Fallhöhe vor dem Schlag

 

Einheit:

Die Angabe erfolgt in Joule [J].

 

Steigarbeit – Formel

Mit der Steigarbeit W_2 wird die verbliebene Energie nach dem Schlagvorgang beschrieben. Sie errechnet sich aus dem Produkt von Gewichtskraft des Pendelhammers F_G und Fallhöhe h_2

 

 

 \boxed{ W_2 = F_G \cdot h_2}

 

Kennzahlen:

 \boxed{ W_2 = } Steigarbeit

 \boxed{F_G = } Gewichtskraft des Pendelhammers

 \boxed{h_2 = } Steighöhe nach dem Schlag

 

Einheit:

Die Angabe erfolgt in Joule [J].

 

Da ein Teil der Energie durch die Verformung bereits umgewandelt wurde, fällt die Steigarbeit immer geringer aus als die Fallarbeit. Aus diesem Grund ist h_2 immer geringer als h_1, wodurch der Pendelhammer nie mehr seine Ausgangshöhe erreichen kann.

 

Gewichtskraft des Pendelhammers – Formel

Die Gewichtskraft des Pendelhammers F_G errechnet sich aus dem Produkt von Masse m und Fallbeschleunigung g

 

 \boxed{ F_G = m \cdot g}

 

Kennzahlen:

 \boxed{ F_G = } Gewichtskraft des Pendelhammers

 \boxed{m = } Masse des Pendelhammers

 \boxed{g = } Fallbeschleunigung auf der Erde (9,81 m/s²)

 

Einheit:

Die Angabe erfolgt in Newton [N].

 

Geschwindigkeit des Pendelhammers – Formel

Die Geschwindigkeit des Pendelhammers v errechnet sich aus der Wurzel des Produkt von Fallhöhe h_1 und Fallbeschleunigung g und dem Faktor “2 “.

 

 \boxed{ v = \sqrt{ h_1 \cdot g \cdot 2} }

 

Kennzahlen:

 \boxed{ v = } Geschwindigkeit des Pendelhammers

 \boxed{h_1 = } Fallhöhe des Pendelhammers

 \boxed{g = } Fallbeschleunigung auf der Erde (9,81 m/s²)

 

Einheit:

Die Angabe erfolgt in Meter pro Sekunde [m/s].

 

Kerbschlagarbeit – Formel

Die Kerbschlagarbeit K_V errechnet sich ganz einfach aus der Differenz aus Fallarbeit und Steigarbeit.

 

 \boxed{ K_V = W_1 - W_2 }

oder ausgeschrieben:

 \boxed{ K_V = F_G \cdot h_1 - F_G \cdot h_2 = F_G \cdot (h_1 - h_2) }

 

Kennzahlen:

 \boxed{ K_V = } Kerbschlagarbeit

 \boxed{W_1 = } Fallarbeit

 \boxed{W_2 = } Steigarbeit

 \boxed{F_G = } Gewichtskraft des Pendelhammers

 \boxed{h_1 = } Fallhöhe vor dem Schlag

 \boxed{h_2 = } Steighöhe nach dem Schlag

 

Einheit:

Die Angabe erfolgt in Joule [J].

 

Merk’s dir!

Mit der Kerbschlagarbeit erhältst du die Angabe der verbrauchten Schlagarbeit zur Verformung und Trennung der Werkstoffprobe.

 

Kerbschlagzähigkeit – Formel

Die Kerbschlagzähigkeit \alpha errechnet sich ganz einfach aus dem Quotienten aus Kerbschlagarbeit und Probenquerschnitt.

 

 \boxed{ \alpha = \frac{K_V}{A_K} }

 

Kennzahlen:

 \boxed{ \alpha = } Kerbschlagzähigkeit

 \boxed{ K_V = } Kerbschlagarbeit

 \boxed{A_K = } Probenquerschnitt

 

Einheit:

Die Angabe erfolgt in Joule [J] pro Quadratmillimeter [mm²].

[\alpha] = \frac{J}{mm^2}

 

Das ist ein Problem…

Sowohl die Kerbschlagarbeit, als auch die Kerbschlagzähigkeit hängen von anderen Faktoren ab, weshalb sie lediglich als technologische Kennwerte fungieren. In Berechnungen zur Dimensionierung von Bauteilen können diese beiden Werte nicht einbezogen werden.

 

Kerbschlagbiegeversuch – Prinzip

Das Prinzip des Kerbschlagbiegeversuchs fällt vergleichsweise einfach aus.

 

Versuchsablauf

So wird eine Werkstoffprobe, die beispielsweise durch einen Meißel auf einer Seite eingekerbt wurde, durch einen Pendelhammer zerschlagen. Der Pendelhammer mit Arm ist so gelagert, dass er beim Herabfallen eine Kreisbewegung ausführt und die Probe auf der gegenüberliegenden Seite von der gekerbten Probenseite aufschlägt.

Durch den Aufprall wird die Probe zerschlagen und der Pendelhammer schwingt durch den Bereich der Probenlagerung hindurch.

Bei der späteren Auswertung nehmen wir an, dass die Lagerung reibungsfrei erfolgt.

 

Welche Energie liegt vor?….

Potentielle Energie: Vor dem Versuch ist die potentielle Energie des Pendelhammers maximal und erreicht im Moment des Aufprall sein Minimum, also = 0.

Kinetische Energie: Umgekehrt verhält es sich mit der kinetischen Energie. Diese ist in der Ausgangsstellung des Pendelhammers minimal, also = 0 und erreicht ihr Maximum im Moment der Aufpralls

 

Versuchsparameter

Für den Versuch sind drei Parameter entscheidend. Es interessiert die Aufprallgeschwindigkeit des Hammers und die Temperatur der Versuchsumgebung (Probentemperatur) sowie die auftretenden Spannungszustände

 

Geschwindigkeit

Die Beim Aufprall erreichte Geschwindigkeit liegt bei 5 \frac{m}{s}

 

Temperatur

Die Temperatur schwank je nach Untersuchungsgegenstand beim Kerbschlagbiegeversuch erheblich. Es werden sowohl kalte als auch warme Proben untersucht.

 

Kalte Proben geben Rückschlüsse zum Verhalten eines Werkstoffes in einer kalten Umgebung (häufig Kühlelemente, oder Außenbereich im Winter)

Warme Proben erlauben Aussagen zum Werkstoffverhalten bei einer warmen Umgebung (häufig energetische Prozesse – Motoren, Turbinen)

 

Merk’s dir!

Genaue Angaben (Normung) für die Versuchsdurchführung bei 20°C (Raumtemperatur) findest du in der DIN EN ISO 148-1

 

Spannungszustände

Die wirkende Schlagkraft F_S beim Kerbschlagbiegeversuch erzeugt einen räumlichen Spannungszustand in der Probe. Beschrieben wird dieser im räumlichen Koordinatensystem durch die Normalspannungen:

  • \sigma_1 
  • \sigma_2
  • \sigma_3

in Richtung der rechtwinklig zueinander stehenden Koordinatenachsen x, y, z

 

Kerbschlagbiegeversuch - Spannungen
Kerbschlagbiegeversuch – Spannungen

 

Infolge der Biegung treten sowohl Zugspannungen, als auch Druckspannungen auf. Am Grund der Kerbe befindet sich eine Spannungsspitze.

  • Druckpannungen: Auf der Probenseite des Aufpralls sind die Druckspannungen maximal und nehmen zur Probenmitte hin kontinuierlich ab. 
  •  Zugspannungen: Auf der gekerbten Probenseite, genauer gesagt im Grund der Kerbe sind die Zugspannungen maximal und nehmen dann ebenfalls zur Probenmitte hin ab. 

 

Das hält doch nicht….

Verfügt der Werkstoff nicht über das plastische Verformungsvermögen um die Spannungsspitze abzubauen, so kommt es erst zum Riss und anschließend zum Bruch der Probe.

 

Kerbschlagbiegeversuch – Aufbau

Wir unterscheiden zwei Aufbauformen:

Aufbau nach Charpy

In der nächsten Abbildung siehst du die schematische Darstellung des Versuchsaufbaus. Den gesamten Aufbau bezeichnet man als Pendelschlagwerk, da sich der Pendelhammer durch die Widerlager pendelt.

 

Kerbschlagbiegeversuch - Charpy
Kerbschlagbiegeversuch – Charpy

 

Die beiden, gerade erwähnten Widerlager, sind die Auflagefläche für die Probe. Beide stehen so weit auseinander, dass der Pendelhammer zwischen ihnen durchpendeln kann.

 

Kerbschlagbiegeversuch - Widerlager
Kerbschlagbiegeversuch – Widerlager

 

Andererseits stehen die beiden Widerlager so weit bei einander, dass die Probe darauf Problemlos und stabil gelagert wird. 

Dabei zeigt die gekerbte Seite der Probe immer von Richtung des anrauschenden Pendelhammers weg.

 

Aufbau nach Izod, Aufbau nach Dynstat

Hier ist das Prinzip das Gleiche, nur mit dem Unterschied, dass die Anordnung der Proben nicht im liegend wie bei Charpy auf zwei Widerlagern erfolgt. Stattdessen steht der Prüfkörper hochkant und das Pendel tritt oberhalb der Kerbe auf das freie Ende der Probe auf.

Das untere Ende der Probe ist fest eingespannt.

 

Kerbschlagbiegeversuch - Izod
Kerbschlagbiegeversuch – Izod

 

Nähere Angaben zu diesem Versuchsaufbau finden sich in ISO 180 (IZOD) und DIN 51230 (DYNSTAT). 

 

Merk’s dir!

Das Prüfverfahren nach Dynstat hat gegenüber Charpy den Vorteil, dass für die Versuchsdurchführung nur sehr kleine Proben benötigt werden. 10 \cdot 15 mm genügen als Probe. Das ist immer dann hilfreich, wenn größere Entnahmen für die Prüfung aus Bauteilen nicht entnommen werden können.

 

Kerbschlagbiegeversuch – Temperatureinfluss

Wie bereits oben erwähnt verhalten sich Werkstoffe je nach gewählter Temperatur unterschiedlich. 

Der Kerbschlagbiegeversuch ist das Verfahren welches einen qualitativen Vergleich des Zähigkeitsverhaltens eines Werkstoffes bei unterschiedlichen Temperaturen zulässt. – Ein Vergleich von Werkstoffen miteinander ist ein eher untergeordnetes Ziel.

 

So ist es möglich beim Kerbschlagbiegeversuch gleiche Werkstoffproben mit gleicher Form bei unterschiedlichen Temperaturen zu prüfen. Als Ergebnis erhält man unterschiedliche Werte für die Kerbschlagarbeit, die anschließend durch einen charakteristischen Verlauf in einem Arbeit-Temperatur-Diagramm dargestellt werden können.

So können wir erfassen, ab welcher Temperatur eine Versprödung auftritt und wie ein Bauteil aus diesem Werkstoff ausgelegt/ eingesetzt werden kann.

 

Kerbschlagarbeit-Temperatur-Kurve

Da für jeden Temperaturwert ein anderes Messergebnis auftritt und die Werte aufgrund Anzahl der Messwerte unter Umständen streuen, ermittelt man eine Mittelwertskurve. Diesen Kurvenverlauf siehst du in der nächsten Abbildung dargestellt.

 

Kerbschlagarbeit-Temperatur-Kurve
Kerbschlagarbeit-Temperatur-Kurve

 

Kurvenlagen 

Liegt ein Kurvenverlauf mit Steilabfall vor, so unterteilt man in drei Bereiche ein:

  • Hochlage,
  • Steilabfall (Übergangsgebiet),
  • Tieflage

 

Im Übergangsgebiet lässt sich zudem die Übergangstemperatur T_ü ermitteln. 


Je höher die Übergangstemperatur eines Stahls, umso eher neigt dieser zum Sprödbruch.

 

Im Übergangsbereich streuen die Werte für die Kerbschlagarbeit trotz weitestgehend gleichen Temperaturen sehr intensiv. Aus diesem Grund spricht man auch von einem Steilabfall. 

 

Kurvenverläufe unterschiedlicher Werkstoffe

In der nächsten Abbildung findest du den Verlauf drei ausgewählter Werkstoffe im Vergleich. Wir vergleichen eine Stahlegierung mit herkömmlichen Stahl und hochfesten Stahl. Zur letzten Gruppe werden auch Keramiken und Glas hinzugezählt:

 

Werkstoffvergleich, Stahl - Behandlungszustand
Werkstoffvergleich, Stahl – Behandlungszustand

 

Wie sich zeigt, sind die Kurvenverläufe von legiertem Stahl und hochfestem Stahl weniger stark ausgeprägt als die Kurve von herkömmlichen Stahl (ausgeprägtes Übergangsgebiet).

 

Merk’s dir!

Bei Stahl handelt es sich um ein Metall mit kubisch-raumzentrierter Gitterstruktur, wodurch sich auch dessen Verhalten erklärt. Aluminium hingegen ist ein Metall, dass eine kubisch-flächenzentrierte Gitterstruktur aufweist.

Das hat zur Folge, dass die Änderungen der Temperatur (erhöhen oder senken) keinen weitestgehend keinen Einfluss auf die Zähigkeit des Werkstoffes hat. – Diese Gruppe von Metallen oder auch Werkstoffen besitzt weder Hoch- noch Tieflagen und somit auch keinen Übergangsbereich mit Steilabfall.

 

Kurvenverläufe eines Werkstoffs mit unterschiedlichen Behandlungszuständen

Exemplarischen schauen wir uns jetzt noch ein mal die Kurvenverläufe für 

  • gehärteten
  • verformten
  • normalgeglühten

sowie

  • vergüteten

Stahl aus dem Kerbschlagbiegeversuch an.

 

Werkstoffvergleich - Stahl
Werkstoffvergleich – Stahl

 

Auch hier zeigt sich, dass die Verläufe je nach Behandlungszustand sehr unterschiedlich ausfallen. Lediglich der verformte und der gehärtete Stahl haben im niedrigeren Prüftemperaturbereich einen deckungsgleichen Verlauf in Bezug auf die Kerbschlagarbeit. 

 

Der Steilabfall der Kurven aus dem A_V-T-Diagramm hat seine Ursache in der Wärmebehandlung und Metallurgie des Werkstoffes (Werkstoffzustand) und der Prüfbedingungen.

So sorgen die Kaltverformung, die Alterung sowie Faktoren während der Prüfung wie

  • Schlaggeschwindigkeit
  • Größe der Probe
  • Winkel der Kerbe
  • Tiefe der Kerbe

dafür, dass der Steilabfall eine Rechtsverschiebung erfährt. Dadurch erhöht sich folglich auch Übergangstemperatur T_ü und der Werkstoff weist ein spröderes Verhalten auf. 

 



 

Was kommt als Nächstes?

“Nach dem Kerbschlagbiegeversuch mit Bestimmung der Kerbschlagarbeit erklären wir dir im kommenden Kurstext den Risszähigkeitsversuch.”

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