Kerbschlagbiegeversuch
In diesem Beitrag zum Kerbschlagbiegeversuch erklären wir dir, wie es zu Bruchschäden an Werkstoffen bei schlagartiger Belastung kommen kann und stellen den Versuchsaufbau vor. Anschließend leiten wir daraus die Formel zur Kerbschlagarbeit ab und bestimmen die Kerbschlagzähigkeit des Materials.
Inhaltsübersicht
Untersuchung des Sprödbruchverhaltens von Materialien mithilfe des Kerbschlagbiegeversuchs
Beim Minigolf ist dir plötzlich dein Schläger abgebrochen? Dies kann verschiedene Ursachen haben: Entweder ist der Stiel nicht aus dem richtigen Material gefertigt oder aber der Schläger ist schon so alt, dass er porös geworden ist. Aber egal welcher Grund zutrifft, es war auf alle Fälle auch eine zu schlagartige Belastung am Bruch schuld.
Damit solche Schäden an Bauteilen nicht auftreten, wird vor der Herstellung das Material auf seine Zähigkeit und das sogenannte Sprödbruchverhalten getestet. Der Versuch nennt sich dann Kerbschlagbiegeversuch, ein von Augustin Georges Albert Charpy eingeführtes Verfahren zur Werkstoffprüfung Was mit Sprödbruchverhalten gemeint ist? Das ist ganz einfach. Stell dir einfach einen Haushaltsgummi vor. Wenn er neu ist, kannst du ihn hin und her bewegen und da er noch zäh ist, kannst du ihn dehnen wie du möchtest. Wenn du dagegen einen alten, spröden Gummi hast, kann es passieren, dass dieser schon bei der ersten Bewegung kaputtgeht. Und genau so ist das auch bei metallischen Werkstoffen, nur dass diese dann auseinanderbrechen und nicht reißen.
Durchführung des Kerbschlagbiegeversuchs und Probenvergleich
Mit dem Kerbschlagbiegeversuch wird die Kerbschlagzähigkeit von Werkstoffen untersucht, also wie zäh, beziehungsweise spröde der Werkstoff ist. Mithilfe eines Pendelschlagwerks wird ein rechteckiges Probestück, das in der Mitte eine Kerbe hat, auf zwei Auflager gelegt. Diese sehen aus wie L-Profile. Die L-Form bewirkt, dass die Kerbschlagprobe beim Versuch nicht weggeschlagen wird. Die Schenkel werden Widerlager genannt. Der sogenannte Pendelhammer wird um eine gewisse Höhe ausgelenkt und dann losgelassen.
Der Pendelhammer trifft nun mit einer bestimmten Geschwindigkeit und Energie auf die ungekerbte Seite der Kerbschlagprobe. Das Werkstück kann sich dadurch verformen oder sogar brechen. Je nachdem wie die Probe aussieht, kann man erkennen, wie sich der Werkstoff bei schlagartiger Belastung verhält. Wenn sich die Kerbschlagprobe nur verformt hat und sich der Riss nicht über die ganze Länge des Bauteils ausgebreitet hat, dann heißt das, dass es ein zäher Werkstoff ist. Denn je zäher der Werkstoff ist, desto höher ist der Widerstand gegen die Ausbreitung des Risses.
Kerbschlagarbeit W als Kennwert für die Kerbschlagzähigkeit eines Bauteils
Auch wenn der Kerbschlagbiegeversuch keine Aussage über die Dimensionierung des Bauteils liefert, so erhältst du trotzdem zwei unerlässliche Kennwerte. Die Kerbschlagarbeit W liefert Erkenntnisse über das Verhalten von Werkstoffen bei schlagartiger Belastung, die kein anderes Prüfverfahren liefern kann. Der Wert führt zur Kerbschlagzähigkeit eines Materials, dessen Maß als Widerstandsfähigkeit, die dem Bruch der Kerbschlagprobe beim Kerbschlagbiegeversuch entgegenwirkt, angesehen werden kann. Sie setzt sich aus der Kerbschlagarbeit bezogen auf die Bruchfläche der Probe zusammen [J/cm²].
Da die Energie bei diesem Versuch ausschlaggebend ist, wird die Kerbschlagarbeit über die Höhenenergie berechnet. Die Formel lautet
Dabei ist m die Masse des Pendelhammers, g der Ortsfaktor, H die Höhe der Auslenkung am Anfang und h die Höhe der Auslenkung nach dem Durchschlagen der Probe.
Mit dem Kerbschlagbiegeversuch wird also geprüft wie sich Werkstoffe bei schlagartiger Belastung verformen oder ob sie sogar brechen. Die Kerbschlagarbeit W bestimmt sich dabei über die Höhenenergie und gibt die Kerbschlagzähigkeit eines Bauteils wieder – also wie widerstandsfähig ein bestimmtes Material bezogen auf die Querschnittsfläche bei einer solchen Belastung ist.