Kerbversuch - marcel-prinz-net

Labor für Werkstoffanalytik
Schriftliche Vorbereitung zur Übung
Kerbschlagbiegeversuch
erarbeitet von
Marcel Prinz
Veranstaltungstechnik & -management
Fachsemester 2
Kerbschlagbiegeversuch nach Charpy DIN EN 10 045-1 (mit DIN 50 115 / 04.91) an
metallischen Werkstoffen
Folgende Schwerpunkte sind in der schriftlichen Vorbereitung zu berücksichtigen:
■ Anwendung und Grenzen des Versuches
■ Brucharten, Einfluss der Kristallstruktur und Temperatur
■ Probenformen und -abmessungen
■ Schlagarbeit, Übergangstemperatur
■ Pendelschlagwerk
Fachbereich VIII Maschinenbau, Verfahrens- und Umwelttechnik
Kerbschlagbiegeversuch
■ Anwendung und Grenzen
Labor für Werkstoffe ; FH Köln; Abt. Gummersbach
S.
Prof. Dr. Karin Lutterbeck
des Versuches
Prof. Dr. Helmut Winkel
Kerbschlagbiegeversuch
1
Der Kerbschlagbiegeversuch beinhaltet eine schlagartige Werkstoffbeanspruchung und gehört
Kerbschlagbiegeversuch
in die Gruppe der dynamischen Festigkeitsprüfung. Er dient
zur Feststellung der Widerstandsfähigkeit des Werkstoffes gegen schlagartige Biegebeanspruchung,
wobei
Stand: Oktober
00 die Bedingungen
noch durch Einkerbung der Proben verschärft sind.
DerEnden
Kerbschlagbiegeversuch
beinhaltet wird
eine schlagartige
Werkstoffbeanspruchung
Die gekerbte Probe, deren beiden
an Widerlagern anliegen,
mit einem Schlag
geund
gehört
in
die
Gruppe
der
dynamischen
Festigkeitsprüfung.
brochen oder durch die Widerlager gezogen. Die verbrauchte Schlagarbeit wird gemessen. Er dient zur
Feststellung der Widerstandsfähigkeit des Werkstoffes gegen schlagartige
Zu der Vielzahl hierfür entwickelter
Prüfmethoden zählen die Kerbschlagbiegeversuche nach
Biegebeanspruchung, wobei die Bedingungen noch durch Einkerbung der Proben
Charpy und Izod. Das Izod-Verfahren
kommt
verschärft
sindvorwiegend
(Bild 1) /1/. bei nichtmetallischen Stoffen zur Anwendung.
Die gekerbte Probe, deren beiden Enden an Widerlagern anliegen, wird mit einem
Schlag gebrochen oder durch die Widerlager gezogen. Die verbrauchte
Schlagarbeit wird gemessen. Zu der Vielzahl hierfür entwickelter Prüfmethoden
■ Probenformen und -abmessungen
zählen die Kerbschlagbiegeversuche nach Charpy und Izod. Das Izod-Verfahren
kommt vorwiegend bei nichtmetallischen Stoffen zur Anwendung (Bild 1) /1/.
Eine einseitig gekerbte Probe
wird durch einen Pendelhammer zerschlagen.
Beim Auftreffen auf die der
Kerbe gegenüberliegende Seite der Probe hat die Schlagvorrichtung eine Geschwindigkeit von ca. 5 m/s.
Der Versuch bei RT ist nach
DIN EN 10045-1 genormt.
Fallarbeit
(potentielle Energie):
W1 = G x h1
Steigarbeit
(verbleibende Energie)
Bild 1:
Schlagversuch nach den Methoden von Charpy und Izod.
W2 = G x h2
(a) Probenanordnung, (b) Probenabmessung.
G = Gewicht des Pendels
Flache
unversehrte Probestäbe aus weichen metallischen Werkstoffen lassen sich
h1 = Fallhöhe des Pendels vor dem
Zerschlagen
häufig um 180° biegen, wird jedoch vorher eine Kerbe eingeschlagen (z.B. mit einem
h2 = Steighöhe des Pendels nach
dem Zerschlagen
Meißel),
brechen die gleichen Proben bei wesentlich kleineren Biegewinkeln. Das
Die zu ermittelnde Kerbschlagarbeit
K = W1- W2wenn
ist die
zurschlagartige
VerformungBiegebeanspruchung
und Trennung der vorliegt.
Probe Kerben, die
gilt besonders,
eine
auch durch unsachgemäße Bearbeitung entstehen können, vermindern den
verbrauchte Schlagarbeit:
Materialquerschnitt und damit die Widerstandsfähigkeit gegenüber schlagartiger
Beanspruchung.
K
= G (h1- h2 ) in Joule (J)
Bei dieser schlagartigen Belastung, die mit extrem großer Verformungsgeschwindigkeit verbunden ist, verhalten sich die Werkstoffe sehr viel spröder als unter den
Bedingungen der quasi statischen Zugfestigkeitsprüfung. Verschiedene Werkstoffe
haben ein unterschiedliches Vermögen, bei hohen Verformungsgeschwindigkeiten
die auftretenden Spannungen auszugleichen. Tritt der Bruch ohne vorausgehende
■ Brucharten, Einfluss der Kristallstruktur
und Temperatur, Übergangstemperatur
plastische Formänderung ein, so spricht man von Trennbruch (Sprödbruch). Er tritt
dann auf, wenn in einem Körper die Trennfestigkeit (Kohäsion) von der größten
Trennbruch
Tritt der Bruch ohne vorausgehende plastische Formänderung ein, so spricht man von Trennbruch (Sprödbruch). Er tritt dann auf, wenn in einem Körper die Trennfestigkeit (Kohäsion) von
der größten Zugspannung erreicht wird, ehe die Schubspannung den Gleitwiderstand überschreitet. Die beim Trennbruch verbrauchte Arbeit ist gering, der Werkstoff erscheint spröde.
Die Trennbruchfläche verläuft vorwiegend durch Spaltebenen innerhalb der Kristalle (transkristallin), hat daher ein körniges glitzerndes Aussehen. Die Neigung zum Trennbruch wächst
mit fallender Temperatur und steigender Verformungsgeschwindigkeit. Trennbrüche werden
bevorzugt bei kubisch-raumzentrierten (krz) und hexagonalen (hex) Materialien beobachtet.
Verformungsbruch
24 ■ ■ ■ ■ ■ ■
erarbeitet von Marcel Prinz – Matrikel-Nr. : 7690680 – www.marcel-prinz.net
Labor für Werkstoffe ; FH Köln; Abt. Gummersbach
Kerbschlagbiegeversuch
S.
Prof. Dr. Karin Lutterbeck
Ein Verformungsbruch
(duktiler,
SchiebungsGleitbruch) tritt nach bleibenderKerbschlagbiegeversuch
FormänProf.
Dr.
Winkel
Labor
fürHelmut
Werkstoffe
; FH Köln;oder
Abt. Gummersbach
derung ein. Hier überschreitet
die ;Schubspannung
den Gleitwiderstand, bevor die
TrennfesS. für Werkstoffe
Labor
FH Köln; Abt. Gummersbach
Kerbschlagbiegeversuch
Prof.
Dr.
Karin
Lutterbeck
tigkeit erreicht wird.
S. Durch die mit der Verformung einhergehende Verfestigung wächst erProf.
Helmut
Winkel
fahrungsgemäß der
Gleitwiderstand
stärker als die Trennfestigkeit . Bleibt die Zugfestigkeit
Prof.
Dr.Dr.
Karin
Lutterbeck
Prof.
Dr.
Helmut
Winkel
trotzdem unter der Trennfestigkeit, so erfolgt der Bruch schließlich durch Abscheren: Verfor-
mungsbruch. Die beim Verformungsbruch verbrauchte Arbeit ist groß, der Werkstoff scheint
zäh. Die Bruchfläche hat sehniges Aussehen.
Treten beide Brucharten nebeneinander auf, so spricht man von einem Mischbruch.
Temperatureinfluß
Werden Kerbschlagbiegeversuche mit gleicher
Probenform bei verschiedenen Temperaturen
durchgeführt, erhält man charakteristische K ,
T-Kurvenverläufe. Durch eine Vielzahl von Meßwerten, die stark streuen können, zieht man eine
Mittelwertskurve. Bei einem Kurvenverlauf mit
Steilabfall unterscheidet man zwischen Hochlage,
Übergangsgebiet (Steilabfall) und Tieflage.
In der Hochlage treten vornehmlich VerformungsBild 4:
brüche auf (duktiles Werkstoffverhalten), in derKerbschlagarbeit-Temperatur-Kurve (schematisch) Tü
Tieflage Trennbrüche (sprödes Werkstoffverhal- Übergangstemperatur bei einer bestimmten
Av, z.B. 27 J
Bild Kerbschlagarbeit
4:
ten). Der Bereich zwischen Hochlage und Tieflage
Kerbschlagarbeit-Temperatur-Kurve
(schematisch) Tü
Bild 5 der
zeigt
Av, T Kurven
verschiedener
Wekstoffgruppen
Bild
4:
ist das Übergangsgebiet,
Steilabfall.
In diesem
Übergangstemperatur
bei
einer
bestimmten
Bild 6 von Stählenbei
verschiedener
Behandlungszustände.
Kerbschlagarbeit-Temperatur-Kurve
(schematisch) Tü
Gebiet streuen die und
Kerbschlagarbeitswerte
ein
und
derselben
Temperatur
Hier treten
Kerbschlagarbeit
Av, z.B.
Jstark.
Übergangstemperatur
bei 27
einer
bestimmten
Mischbrüche auf. Dies
sind
Brüche,
die
Abschnitte
mit
Verformungsund
Trennbrüchen
nebenBild 5 zeigt Av, T Kurven verschiedener
Wekstoffgruppen
Kerbschlagarbeit
Av, z.B. 27 J
einander aufweisen.
Die
Übergangstemperatur
T trennt den
Bereich des Sprödbruchs (links)
und
Bild
6Av,
von
Stählenverschiedener
verschiedener
Behandlungszustände.
Bild
5 zeigt
T Kurven
Wekstoffgruppen
vom Bereich des und
Verformungsbruchs
(rechts).
Sie
Bild 6 von Stählen verschiedener Behandlungszustände.
ergibt sich aus dem Mittelwert der in beiden Bereichen verbrauchten Schlagenergie oder aus dem
charakteristischen Erscheinungsbild beider Bruchbilder. Im duktilen Bereich ist das Material widerstandsfähiger. Werkstoffe, die großer Stoß- oder
Schlagbelastung ausgesetzt sind, sollten deshalb
Bild 5:
eine möglichst niedrige Übergangstemperatur be- Kerbschlagarbeit-Temperatur-Kurven für
sitzen, die sich unter der im Einsatzfall herrschen- verschiedene Werkstoffe (schematisch)
a) Al, Cu, Ni, austenitischer Stahl (kfz-Gitter)
den Umgebungstemperatur befindet.
Bild 5:
b) Stahl (krz-Gitter)
Kerbschlagarbeit-Temperatur-Kurven
für
Zum Beispiel wächst in kubisch-raumzentrierten
(krz)
Werkstoffen,
wie z.B. in allen unlegierBild 5:
c) Glas, Werkstoffe
Keramik, hochfeste
Stähle
verschiedene
(schematisch)
Kerbschlagarbeit-Temperatur-Kurven
für
ten, niedrig legierten, in hochlegierten Chromstählen und in Zinklegierungen der Gleitwia) Al,Werkstoffe
Cu, Ni, austenitischer
Stahl (kfz-Gitter)
(schematisch)
derstand stärker an als die Trennfestigkeit, so daßverschiedene
von einer
Übergangstemperatur
abwärts
b)
Stahl
(krz-Gitter)
a) Al, Cu, Ni, austenitischer Stahl (kfz-Gitter)
Trennbrüche auftreten. Liegt diese Temperatur bei
Glas,
Keramik, hochfeste Stähle
b) c)Stahl
(krz-Gitter)
RT und tiefer, so spricht man von Kaltsprödigkeit.
c) Glas, Keramik, hochfeste Stähle
Kupfer, Messing, Bronze, Aluminium und austenitischer Stahl (kfz, kubisch-flächen-zentriert) zeigen keine Kaltsprödigkeit.
Nicht alle Materialien weisen eine deutlich ausgeprägte Übergangstemperatur auf. Im Gegensatz zu
krz-Metallen ist sie bei den meisten kfz-Metallen
praktisch nicht erkennbar. Kfz-Metalle absorbieren jedoch allgemein mehr Schlagenergie. Diese
Bild 6:
nimmt nur wenig mit der Temperatur ab und mit-Kerbschlagarbeit-Temperatur-Kurven von Stahl
verschiedener Behandlungszustände (schematisch)
unter sogar zu.
Bild 6:
Bild 6: Kerbschlagarbeit-Temperatur-Kurven von Stahl
verschiedener Behandlungszustände
Kerbschlagarbeit-Temperatur-Kurven
von(schematisch)
Stahl
Behandlungszustände (schematisch)
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Notizen
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