Kerbschlag-Biegeversuch

1 Einleitung

- Der Kerbschlagbiegeversuch nach DIN 50 115 -

DerKerbschlagbiegeversuch gehört zu den wichtigsten Versuchen mit schlagartiger Werkstoffbelastung. Er dient zum Nachweis der Versprödungsneigung unter verschärften Beanspruchungsbedingungen. In diesem Zusammenhang sei auch auf die große Zahl von Schadensfällen durch verformungslose Brüche (Trenn-, Sprödbrüche) ohne warnende Anzeichen hingewiesen. Als wesentliche Einflußgrößen erwiesen sich dabei

a) tiefe Temperaturen

b) hohe Verformungsgeschindigkeit

c) mehrachsige Spannungszustände (s. S.47 [4])

Der Zweck des Versuchs ist es, die Zähigkeit des Werkstoffes zu beurteilen. Damit kann man die Wärmebehandlung überwachen und feststellen, ob ein Werkstoff zum Trennbruch neigt, d.h., ob er ohne vorherige Verformung zu Bruch geht.

Bei Stählen ermöglicht der Kerbschlagbiegeversuch die Neigung zum Trennbruch (Sprödbruch) und die Anfälligkeit für Alterung oder andere Einflüsse ¹ zu erkennen. Von besonderem Interesse ist für einen bestimmten Werkstoff oder Werkstoffzustand der Zusammenhang zwischen Kerbschlagzähigkeit und Temperatur.

Die Ergebnisse der Kerbschlagbiegeversuche sind nur untereinander vergleichbar ² , wenn sie an gleichen Probenformen und unter gleichen Versuchsbedingungen erzielt wurden. Es gibt keine allgemeingültige Beziehung zu anderen Festigkeitseigenschaften. Man kann jedoch sagen, daß hohe Kerbschlagzähigkeit im allgemeinen auch gute Dehnung und Einschnürung bedeutet.

¹ Hier können weitere Ursachen wie z.B. Warmversprödung, Anlaßversprödung, Kaltverhärtung oder verschiedene Materialfehler angeführt werden.

² Da uns keine Vergleichswerte vorliegen beschränken wir uns auf eine allgemeine Beschreibung der Vorgänge und beziehen uns auf einschlägige Literatur.

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2 Grundlagen

Der Kerbschlagbiegeversuch hat für die Zähigkeitsprüfung metallischer Werkstoffe und schlagzäher Kunststoffe eine besondere Bedeutung erlangt. Er dient aber in gleichem Maße zur Kontrolle der Qualität und Gleichmäßigkeit von Gefüge- und Behandlungszuständen. Nicht zuletzt hat die einfache Versuchsdurchführung und der geringe Materialaufwand zu der weiten Verbreitung beigetragen.

Nach DIN 50115 wird das Bruchverhalten eines Werkstoffes geprüft, das dieser bei einer plötzlichen Biegebeanspruchung an einer eingekerbten Stelle aufweist. Es handelt sich hierbei nicht wie beim Zugversuch um eine statische Belastung, sondern um eine dynamische Prüfung.

Mit Hilfe eines Pendelschlagwerkes ³ wird eine gekerbte Normprobe zerschlagen (Bild 2.1 und 2.2).

Der Pendelhammer fällt mit vorgegebener kinetischer Energie auf die der Kerbe gegenüberliegende Seite der Probe. Als Zähigkeitsmaß des zu prüfenden Werkstoffes bzw. Werkstoffzustandes wird die Kerbschlagarbeit A v angesehen, die zum Bruch der Probe erforderlich ist.

³ Definition der Pendelschlagwerke in DIN 51222

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Die an der Probe geleistete Schlagarbeit ergibt sich aus der Höhe h, die der Pendelhammer nach geleisteter Arbeit noch erreicht.

Durch einen angebrachten Schleppzeiger konnten in unserem Versuch sofort die Werte für die Schlagarbeit abgelesen werden (s. auch Kapitel 3.1). Als Kerbschlagzähigkeit α α K bezeichnet man die auf den Prüfqerschnitt A bezogene verbrauchte Schlagarbeit A v .

α K = A

2.1 Brucharten

Neben der Kerbschlagarbeit werden auch das makroskopische Bruchaussehen und der Biegewinkel zur Kennzeichnung der Werkstoffzähigkeit herangezogen. Die quantitative Bewertung des Bruchaussehens mit dem kristallinen Fleck F R , d.h. dem Sprödbruchanteil auf der Bruchfläche, kann durch Benutzung eines Fernsehmikroskops erleichtert werden. Wird dieser Versuch −wie in unserem Fall− in Abhängigkeit von der Temperatur durchgeführt, so kann man im wesentlichen drei Brucharten feststellen.

Bei niedrigen Temperaturen der Probe wird diese nahezu ohne Verformung zerbrochen. Sie werden als Trenn- oder Sprödbrüche bezeichnet. Trennbrüche treten dann auf, wenn in der Probe die Trennfestigkeit von der größten Zugspannung erreicht wird, bevor die Schubspannung den Gleitwert überschreiten. (Der Probe wird zum fließen keine Zeit gegeben.) Die Bruchfläche hat ein gleichmäßiges, glitzernd körniges Aussehen, was dadurch zustande kommt, daß die Bruchfläche durch die Trennebene der Kristalle verläuft. Die verbrauchte Arbeit ist beim Trennbruch gering, der Werkstoff

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erscheint spröde. Trennbrüche werden auch als Kaltsprödigkeit bezeichnet, da die Neigung zum Trennbruch mit sinkender Temperatur zunimmt. Wird die Probe vor dem Zerschlagen erwärmt, so beobachtet man ein starkes Verformen der Proben, in vielen Fällen ohne zu zerbrechen. Daher nennt man diese Bruchart auch Verformungsbruch. Durch die Verformung kommt es gleichzeitig in angrenzenden Zonen zu einer Materialverfestigung, wodurch erfahrungsgemäß der Gleitwiderstand stärker wächst als die Trennfestigkeit. Der Bruch erfolgt schließlich durch Abscheren. Die Bruchfläche erscheint glatt und sehnig matt. Die Verbrauchte Arbeit ist beim Verformungsbruch groß und der Werkstoff erscheint zäh.

Den größten Teil macht jedoch der sog. Mischbruch aus, der eine Kombination der beiden beschriebenen Brucharten darstellt. Im mittleren Bereich der Bruchfläche kann man die überwiegend körnige Struktur erkennen, während sich in den Randzonen die Bruchfläche „aufwölbt“. Hauptverursacher der unterschiedlichen Brucharten ist die Temperatur. Bei unterschiedlichen Temperaturen verhalten sich d ie größte Zug- und Schubspannung sowie die Trennfestigkeit und der Gleitwiderstand in ihrer Höhe zu Beginn und während des Bruches unterschiedlich zueinander. (s. auch Kapitel 6)

3 Versuchsaufbau

3.1 Versuchsanordnung

Bei dem Kerbschlagbiegeversuch wird eine einseitig gekerbte Vierkantprobe von genormten Abmaßen durch einen Schlag mit einem Pendelhammer zerschlagen bzw. so weit gebogen, wie es die Versuchseinrichtung zuläßt. Dabei kann die Probe entweder mit der Kerbseite an zwei Widerlagern anliegen ( Charpy-Anordnung) oder einseitig eingespannt sein ( Izod- Anordnung).

Im weiteren Verlauf soll nur auf die in unserem Versuch verwendete Charpy-Anordnung Bezug genommen werden. (Bild 3.1 Schlagrichtung-Probe).

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Angaben zu den Probeformen enthält 3.2.1, sowie Tabelle 4.1. In unserem Versuch wurde die weit verbreitete DVM-Probe ⁴ verwendet. Das Zerschlagen der Kerbschlagbiegeprobe erfolgt mit einem Pendelschlagwerk (Bild 3.1).

Die an einem Pendelarm befestigte Hammerscheibe, die an der Schlagseite die Hammerschneide oder Finne enthält, beschreibt nach dem Ausklinken einen Kreisbogen und überträgt einen Teil der kinetischen Energie auf die

⁴ DVM = Deutscher Verband für Materialprüfung

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