Kerbschlagbiegeversuch nach Charpy - Prüfung der Zähigkeit/Sprödigkeit

Der Kerbschlagbiegeversuch nach Charpy dient zur Bestimmung der Zähigkeit eines Werkstoffs unter stoßartiger Belastung. Während der Zugversuch nur Aussagen über die Zähigkeit unter quasi-statischen Bedingungen zulässt, ermöglicht der Kerbschlagbiegeversuch eine realitätsnahe Bewertung für Bauteile, die bei unterschiedlichen Temperaturen und schnellen Belastungen eingesetzt werden.

Eine genormte, gekerbte Probe mit V- oder U-förmiger Kerbe wird in ein Widerlager eingelegt. Ein Pendelhammer trifft mit einer Geschwindigkeit von 5 bis 5,5 m/s auf die kerbabgewandte Seite der Probe und zerschlägt sie. Die aufgenommene Verformungsenergie hängt von der Zähigkeit des Materials ab. Zähe Proben nehmen mehr Energie auf und führen zu einer geringeren Endhöhe des Pendelhammers, während spröde Proben fast keine Energie absorbieren und der Hammer fast auf seine Ausgangshöhe zurückschwingt.

Die absorbierte Energie wird als Kerbschlagarbeit K bezeichnet (KV für V-Kerbe, KU für U-Kerbe). Sie wird aus der Differenz zwischen der potenziellen Energie des Hammers vor und nach dem Schlag bestimmt. Die Kerbschlagarbeit wird oft auf den Probenquerschnitt bezogen und als Kerbschlagzähigkeit ausgedrückt, ist jedoch kein reiner Werkstoffkennwert, da sie auch von Geometrie und Versuchsparametern beeinflusst wird.

Die Kerbschlagarbeit eines Werkstoffs wird in Abhängigkeit von der Temperatur in Diagrammen dargestellt. Werkstoffe mit kubisch-raumzentrierter Gitterstruktur (z. B. ferritische Stähle) zeigen eine starke Temperaturabhängigkeit: Bei hohen Temperaturen sind sie zäh, bei niedrigen Temperaturen verspröden sie (Tief- und Hochlage). Der Übergangsbereich zwischen diesen Zuständen ist durch stark streuende Messwerte gekennzeichnet. Die Übergangstemperatur kann über die Kerbschlagarbeit definiert werden, z. B. als die Temperatur, bei der die Kerbschlagarbeit 27, 40 oder 60 Joule beträgt oder 50 % der Hochlage erreicht.

Kubisch-flächenzentrierte Werkstoffe (z. B. Aluminium) zeigen keinen ausgeprägten Steilabfall, sondern bleiben über einen weiten Temperaturbereich zäh oder spröde, abhängig von ihrer Struktur.

Zähigkeitsverhalten wird nicht nur durch Temperatur, sondern auch durch Gefügezustand beeinflusst. Vergütete oder Feinkorn-Baustähle bleiben auch bei niedrigen Temperaturen zäher als normalgeglühte Stähle. Alterungserscheinungen hingegen fördern die Versprödung und verschieben den Steilabfall zu höheren Temperaturen. Der Versuch kann somit auch zur Bewertung von Wärmebehandlungen und Alterungseffekten genutzt werden.

Bruchverhalten kann durch die Bruchfläche beurteilt werden. Verformungsbruch (Gleitbruch): Hohe Zähigkeit, stark verformte Bruchfläche mit wabenartiger Struktur. Trennbruch (Spaltbruch): Sprödes Verhalten, glänzende, glatte Bruchfläche. Mischbruch: Übergangsbereich mit Kombination aus beiden Merkmalen.

Höhere Verformungsgeschwindigkeiten fördern den Sprödbruch, da sich Versetzungen nicht schnell genug bewegen können, um plastische Verformung zu ermöglichen. Dies ist in technischen Anwendungen zu berücksichtigen, da die Praxis oft andere Belastungsgeschwindigkeiten als der Versuch aufweist.

Zielsetzungen des Kerbschlagbiegeversuchs. Bestimmung der Übergangstemperatur und Versprödungstendenz. Bewertung von Wärmebehandlungsmaßnahmen. Untersuchung von Alterungserscheinungen und Gefügezuständen.

Der Kerbschlagbiegeversuch ist ein wichtiger technologischer Kennwert zur Bewertung der Zähigkeit von Werkstoffen unter realistischen Betriebsbedingungen, ersetzt jedoch keine dimensionierungsrelevanten Materialkennwerte.

00:00 Kerbschlagbiegeversuch
01:01 Verfahrensablauf
03:00 Grundlagen der Berechnung
04:40 Angabe der Kerbschlagarbeit
05:18 Versuchsauswertung
06:46 Übergangstemperatur
08:27 Zielsetzungen
09:44 Bruchformen (Verformungsbruch, Trennbruch)
10:56 Verformungsgeschwindigkeit