Charpy Impact Test:Wie er die Materialzähigkeit misst, Verfahren und Interpretation

Der Charpy-Schlagtest wurde erstmals im 20. Jahrhundert entwickelt, um das Verständnis dafür zu verbessern, warum Materialien vorzeitig versagen. Der Charpy-Test bestimmt, wie viel Energie ein Material beim Bruch absorbiert, die sogenannte Schlagenergie, und wird zur Beurteilung der Charpy-Schlagzähigkeit eines Materials verwendet. Der Test ist vergleichend, das heißt, es werden die Schlagfestigkeiten verschiedener Materialien miteinander verglichen, sofern sie nach dem gleichen Standard geprüft wurden. Beim Charpy-Schlagversuch wird mit einem schwingenden Pendel auf eine gekerbte Probe geschlagen. Aus der Höhe des Pendels vor und nach dem Aufprall lässt sich ermitteln, wie viel Energie von der Probe absorbiert wurde. Der Test hilft bei der Beurteilung der Kerbzähigkeit, die die Bruchfestigkeit eines Materials an der Stelle der Kerbe angibt.

Der Charpy-Schlagtest ist eine in der Materialprüfung verwendete Methode zur Messung der Schlagfestigkeit. Sie beantwortet die Frage „Was ist der Charpy-Test?“, indem sie bestimmt, wie viel Energie ein Material beim Bruch absorbiert. Die während des Tests absorbierte Energie wird anhand des Höhenunterschieds vor und nach dem Aufprall gemessen und das Ergebnis hängt von den Eigenschaften des Charpy-Schlagtestexemplars ab.

Was ist der Charpy Impact Test?

Der Charpy Impact Test wird verwendet, um die Fähigkeit eines Materials zu messen, beim Bruch Energie zu absorbieren. Der Charpy-Schlagversuch wird durchgeführt, indem mit einem schwingenden Pendel auf eine gekerbte Probe geschlagen wird. Die beim Aufprall absorbierte Energiemenge wird durch den Höhenunterschied vor und nach dem Schwung bestimmt. Der Test zielt darauf ab, die Schlagzähigkeit eines Materials zu beurteilen, insbesondere seine Beständigkeit gegen Sprödbruch bei hohen Dehnungsraten. Der Charpy-Schlagtest ist wichtig, um zu verstehen, wie sich Materialien unter realen Bedingungen (extreme Temperaturen oder plötzliche Stöße) verhalten. Der Charpy-Test misst die Zähigkeit von Materialien, indem er ihre Reaktion auf plötzliche Kräfte testet.

Die Definition des Aufpralltests umfasst den Vergleich der von verschiedenen Materialien unter standardisierten Bedingungen absorbierten Energie.

Was ist die Geschichte des Charpy Impact Test?

Die Geschichte des Charpy-Schlagtests reicht bis ins frühe 20. Jahrhundert zurück, als er entwickelt wurde, um Materialversagen bei plötzlichem Aufprall besser zu verstehen. Der Charpy-Schlagtest wurde 1901 von George Augustin Albert Charpy erfunden. Der Test wurde entwickelt, um herauszufinden, warum Maschinen (Dampfkessel, Dampfmaschinen und militärische Waffen) vorzeitig ausfallen. Charpy verbesserte den pendelbasierten Ansatz, der zuerst von S.B. entwickelt wurde. Russell. Er entdeckte, dass das Hinzufügen einer Kerbe in der Probe dazu beitrug, die Genauigkeit und Empfindlichkeit des Tests zu verbessern. Der Test wurde nach Charpy benannt, da er für verschiedene Standardisierungsbemühungen und technische Verbesserungen verantwortlich war. 

Welche Bedeutung hat der Charpy Impact Test?

Die Bedeutung des Charpy-Schlagtests besteht darin, dass er wertvolle Erkenntnisse über die Fähigkeit des Materials liefert, plötzlichen Kräften oder Stößen standzuhalten. Der Test ist in der Werkstofftechnik notwendig, da er dabei hilft, die Zähigkeit und Zuverlässigkeit von Materialien in Umgebungen zu bestimmen, die schnellen Belastungen oder Temperaturschwankungen ausgesetzt sind. Das Verständnis der Charpy-Schlagzähigkeit von gedruckten Materialien stellt sicher, dass gedruckte Teile realen Belastungen standhalten, ohne im 3D-Druck zu versagen. Der Test spielt eine Rolle bei der mechanischen Konstruktion, wo Materialien nach ihrer Widerstandsfähigkeit gegen Bruch unter unerwarteten Belastungen ausgewählt werden müssen. Die Charpy-Schlagzähigkeitsprüfung bewertet die Kerbzähigkeit, die die Fähigkeit eines Materials misst, der Rissausbreitung an der Stelle einer Kerbe zu widerstehen. Dies macht sie für die Auswahl von Materialien für Anwendungen, bei denen ein Versagen katastrophale Folgen hat, von entscheidender Bedeutung.

Wie berechnet man den Charpy-Schlagversuch?

Um den Charpy Impact Test zu berechnen, müssen vier Schritte befolgt werden. Bereiten Sie zunächst den Test vor, indem Sie die Probe des Charpy-Schlagtests unter dem Pendel befestigen. Zweitens:Lassen Sie das Pendel los und lassen Sie es auf die gekerbte Probe schlagen. Drittens messen Sie die Höhe des Pendels vor und nach dem Aufprall, um festzustellen, wie viel Energie absorbiert wurde. Verwenden Sie abschließend die Charpy-Schlagversuchsformel, um die von der Probe absorbierte Energie zu berechnen. Dies ist die Differenz der potenziellen Energie abzüglich der Energieverluste aufgrund von Reibung und Luftwiderstand. Dies erfolgt mithilfe der Schlagtestformel, die die Masse des Pendels und den Höhenunterschied berücksichtigt und gleichzeitig Energieverluste aufgrund von Reibung und Luftwiderstand berücksichtigt.

Wie lautet die Formel für den Charpy Impact Test?

Die Formel für den Charpy-Schlagtest wird verwendet, um die Energie zu berechnen, die die Probe während des Aufpralls absorbiert. 
Die Formel für den Aufpralltest ist unten dargestellt.

E =mgΔh

E ist die von der Probe absorbierte Energie (in Joule), m ist die Masse des Pendels (in Kilogramm), g ist die Erdbeschleunigung (9,81 m/s²) und Δh ist der Höhenunterschied des Pendels vor und nach dem Aufprall (in Metern).

Beispielsweise schwingt ein Pendel mit einer Masse von 1,5 kg aus einer Höhe von 2 Metern und senkt sich nach dem Auftreffen auf die Probe auf 1 Meter ab.

Die Formel ist unten dargestellt.

E =1,5 ⋅ 9,81 ⋅ ( 2 - 1 )

E =1,5 ⋅ 9,81 ⋅ (1) =14,715 J

E =14,715 J

Die Probe absorbierte beim Aufprall 14,715 Joule Energie. Der Charpy-Schlagtest bestimmt die absorbierte Energie, typischerweise ausgedrückt in Joule, während die Schlagfestigkeit oft als Energie pro Flächeneinheit (J/cm2 oder kJ/m2) berechnet wird.

Was ist die Einheit für einen Charpy-Schlagtest?

Die Ergebnisse des Charpy-Schlagtests werden in Joule gemessen, der SI-Einheit für Energie. Die Einheit ist die Menge an Arbeit, die verrichtet wird, wenn eine Kraft von 1 Newton über eine Distanz von 1 Meter ausgeübt wird. Der Wert wird zur Berechnung der Aufprallenergie in J/m2 verwendet, indem der Joule-Wert durch die Querschnittsfläche der Probe an der Probenkerbe dividiert wird.

Was sind die Schritt-für-Schritt-Anleitungen für Charpy-Schlagprüfungen?

Die schrittweisen Verfahren zur Charpy-Schlagprüfung sind unten aufgeführt.

1. Probenvorbereitung :Beginnen Sie damit, die Materialprobe in die erforderlichen Abmessungen, eine standardmäßige rechteckige Form, zu schneiden und sicherzustellen, dass sie frei von Oberflächenfehlern ist.  Der Prüfling muss mit der gekerbten Seite vom schwingenden Pendel abgewandt in die Prüfmaschine eingelegt werden. Die richtige Probenvorbereitung ist für genaue Ergebnisse im Charpy-Testverfahren unerlässlich.
2. Ausrichtung der Kerbe:Die Kerbe muss genau ausgerichtet sein, da ihre Position und Ausrichtung die Ergebnisse beeinflussen. Die Kerbe wird in der Mitte der Probe angebracht und muss von der Schlagrichtung abgewandt sein. Die korrekte Kerbausrichtung ist für die Prüfung des Charpy-Schlagzähigkeitstestverfahrens des Materials von entscheidender Bedeutung.
3. Pendelschlag :Lassen Sie das Pendel aus einer bekannten Höhe los, sodass es nach unten schwingt und auf die gekerbte Probe trifft. Durch die beim Aufprall auf die Probe ausgeübte Kraft bricht diese und die Höhe des Pendels verringert sich entsprechend. Der Schritt ist Teil des Aufpralltestverfahrens, mit dem eine plötzliche Krafteinwirkung auf das Material simuliert wird.
4. Energiemessung :Messen Sie den Höhenunterschied des Pendels vor und nach dem Auftreffen auf die Probe nach dem Aufprall. Die von der Probe absorbierte Energie wird aus dem Höhenunterschied, der Masse des Pendels und der Schwerkraft berechnet. Der Schritt schließt das Charpy-Schlagtestverfahren ab und bestimmt die Zähigkeit und Schlagfestigkeit des Materials.

Welche Maschine wird bei der Charpy-Schlagprüfung verwendet?

Mit einer Charpy-Schlagprüfmaschine wird die Schlagfestigkeit einer Probe geprüft. Die Maschine ist relativ einfach und funktioniert, indem sie ein Pendel in eine Probe schwingt, um sie zu brechen. Die von der Probe absorbierte Energie wird an einer Skala an der Maschine abgelesen. 

Die Maschine ist relativ einfach und funktioniert, indem sie ein Pendel in eine Probe schwingt, um sie zu brechen. Die von der Probe absorbierte Energie wird an einer Skala an der Maschine abgelesen. 

Was ist der Charpy Impact Test Standard?

Der Charpy-Schlagteststandard wird durch spezifische Richtlinien definiert, um Konsistenz und Zuverlässigkeit der Testverfahren sicherzustellen. Die bekanntesten Standards sind ASTM E23 und ASTM D6110. ASTM E23 ist der Standard für die Prüfung metallischer Werkstoffe und stellt Methoden zur Messung der Schlageigenschaften von Metallen bereit (Probenvorbereitung, Prüfverfahren und Geräteanforderungen). ASTM D6110 gilt für Kunststoffe und beschreibt die Methoden zur Bestimmung der Schlagzähigkeit von Polymermaterialien mithilfe des Charpy-Tests. ASTM E23 und ASTM D6110 sind von entscheidender Bedeutung, um sicherzustellen, dass die Testergebnisse für verschiedene Materialien und Testbedingungen genau und vergleichbar sind.

Was ist die Temperatur für einen Charpy-Schlagtest?

Die Temperatur für die Charpy-Schlagprüfung beträgt 23 °C. Diese Tests werden jedoch in vielen Temperaturbereichen durchgeführt, um die Übergangstemperatur der Materialien von duktil zu spröde zu ermitteln.

Welche Arten von Charpy-Schlagtestergebnissen gibt es?

Die zwei Arten von Charpy-Schlagtestergebnissen sind unten aufgeführt.

1. Quantitative Ergebnisse :Quantitative Ergebnisse liefern messbare Daten, ausgedrückt in Joule, die die Energiemenge darstellen, die von der Probe während des Aufpralls absorbiert wird. Der Wert wird verwendet, um die Charpy-Schlagzähigkeit des Materials und seine Fähigkeit, einem Bruch unter Belastung zu widerstehen, zu bestimmen. Quantitative Ergebnisse helfen dabei, verschiedene Materialien hinsichtlich Zähigkeit und Schlagfestigkeit zu vergleichen.
2. Qualitative Ergebnisse :Qualitative Ergebnisse bieten Einblicke in das Verhalten des Materials, z. B. ob es spröde oder duktil bricht. Sie werden nach der Prüfung visuell beobachtet und liefern eine Beschreibung der Bruchoberfläche (ob sie Anzeichen einer plastischen Verformung/lateralen Ausdehnung aufweist oder eine kristalline, flache Oberfläche aufweist). Das Charpy-Schlagtestverfahren hilft dabei, bestimmte Ergebnisse zu erzielen und bietet ein umfassendes Verständnis der Materialleistung unter Aufprall.

1. Quantitative Ergebnisse

Quantitative Ergebnisse sind Daten, die auf numerischen Werten basieren. Bei den quantitativen Daten handelt es sich normalerweise um die beim Bruch der Probe im Charpy-Schlagversuch absorbierte Energie. Die Duktil-zu-Spröde-Übergangstemperatur (DBTT) wird geschätzt, indem mehrere Proben bei mehreren Temperaturen getestet werden, um festzustellen, wo es zu einem drastischen Anstieg der erforderlichen Schlagenergie kommt.

Die Formel für den Charpy-Schlagtest ist unten dargestellt.

E =m g (h₁ − h₂)

Charpy V-Notch-Test:Warum ist es bei Charpy-Tests wichtig?

Die V-Kerbprüfung nach Charpy ist wichtig, da die V-förmige Kerbe eine kontrollierte Spannungskonzentration erzeugt, die den Beginn des Bruchs an einer genauen Stelle erzwingt und so eine genaue Messung der Schlagzähigkeit ermöglicht. Die Charpy-V-Kerbprüfung stellt sicher, dass die Energieabsorption unter wiederholbaren Bedingungen bei plötzlicher Belastung bewertet wird. Ein V-Kerbtest zeigt, wie effizient ein Material einem spröden Versagen widersteht, wenn es einem Aufprall mit hoher Geschwindigkeit ausgesetzt wird. Ein Kerbtest standardisiert die Rissentstehung, sodass die Werte der absorbierten Energie über verschiedene Materialproben hinweg vergleichbar bleiben. Der Angulo de Charpy definiert den genauen Kerbenwinkel, der die Spannungsintensität steuert, was sich direkt auf die Genauigkeit und Konsistenz der Schlagzähigkeitsmessung auswirkt.

Charpy-Impact-Test-Diagramm:Wie wird es dargestellt?

Das Charpy-Schlagtestdiagramm wird durch die folgenden Schritte dargestellt.

1. Präsentieren Sie das Layout des Charpy-Impact-Test-Diagramms . Ein Charpy-Schlagversuchsdiagramm zeigt einen starren Stützrahmen mit einem Pendel, das in einer festen Höhe über der Probe montiert ist. Das Design veranschaulicht, wie sich potenzielle Gravitationsenergie am Auftreffpunkt in Aufprallenergie umwandelt.
2. Zeigen Sie die Anordnung in einem Charpy-Testdiagramm . Das Diagramm der Charpy-Prüfung zeigt den Prüfkörper, der horizontal auf zwei Ambossen ruht, mit einer definierten Spannweite zwischen den Stützen. Die Kerbe zeigt zum Pendel, sodass der Bruch bei der höchsten Spannungskonzentration beim Aufprall beginnt.
3. Darstellung der Funktionsweise eines Charpy-Schlagprüfgeräts . Die Abbildung des Charpy-Schlagprüfgeräts zeigt den Pendelbogen von der Freigabe bis zum Probenkontakt. Der Unterschied zwischen der Anfangs- und der Rückprallhöhe stellt die beim Bruch absorbierte Energie dar.
4. Veranschaulichen Sie die Phase der Energiemessung . Die letzte Diagrammstufe zeigt eine mechanische Skala oder eine digitale Anzeige, die mit der Pendelachse verbunden ist. Der gemessene Energieverlust stellt direkt die Schlagzähigkeit des Materials unter plötzlicher Belastung dar.

Welche Faktoren beeinflussen einen Charpy-Schlagtest?

Die Faktoren, die einen Charpy Impact Test beeinflussen, sind unten aufgeführt.

• Streckgrenze :Die Streckgrenze beeinflusst die Materialsteifigkeit, eine höhere Festigkeit verringert die Verformung vor dem Bruch.
• Kerbe :Kerben erzeugen Spannungspunkte und Rillen leiten Brüche.
• Temperatur :Die Temperatur beeinflusst das spröde oder duktile Verhalten und verändert die zum Bruch erforderliche Energie. 
• Bruchmechanismus :Der Bruchmechanismus zeigt, wie sich das Material unter Aufprall trennt, und spiegelt den Kraftwiderstand seiner inneren Struktur wider.

1. Streckgrenze

Die Streckgrenze des Materials steigt, wenn die Schlagenergie abnimmt. Materialien mit höherer Streckgrenze haben eine geringere Zähigkeit. Materialien, die sich vor dem endgültigen Versagen plastisch verformen, gelten als härter. Streckgrenze und höhere Streckgrenze sind Faktoren, die einen Charpy-Schlagtest beeinflussen, der eine steifere Reaktion erzeugt, die die beim Aufprall absorbierte Energiemenge reduziert.

2. Kerbe

Durch die Kerbe entsteht ein kontrollierter Spannungspunkt, der den Bruchweg lenkt und die gemessene Zähigkeit beeinflusst. Die Probe mit V-Kerbe wird verwendet, wenn das Material spröde ist, und eine Probe mit U-Kerbe wird verwendet, wenn das Material duktil ist. Die Probe mit U-Kerbe weist einen höheren Spannungskonzentrationsfaktor auf als die Probe mit V-Kerbe. Es ist zu beachten, dass die Kerben genau gleich sein müssen, um genaue Ergebnisse zu erhalten, die mit früheren Tests vergleichbar sind.

3. Temperatur

Die Temperatur verändert das Materialverhalten, indem sie das Gleichgewicht zwischen spröden und duktilen Reaktionen während der Stoßbelastung verschiebt. Die Charpy-Schlagversuche werden typischerweise bei 23 °C durchgeführt. Allerdings werden höhere und niedrigere Temperaturen verwendet, um eine Kurve zu zeichnen, die das Übergangsverhalten eines Materials von duktil zu spröde darstellt. Höhere Temperaturen erhöhen die Schlagzähigkeit.

4. Bruchmechanismus

Der Bruchmechanismus bestimmt, wie sich ein Material unter plötzlicher Krafteinwirkung trennt und definiert die Energiemenge, die erforderlich ist, um den Bruch abzuschließen. Die beiden Bruchmechanismen sind die Spaltung, die bei spröden Materialien häufig vorkommt, und die Mikrohohlraumkoaleszenz, die bei duktilen Materialien häufiger vorkommt. Die Materialien, die über den Spaltungsbruchmechanismus brechen, haben eine geringere Aufprallenergie als Materialien, die über die Koaleszenz von Mikrohohlräumen versagen. 

Ist der Charpy Impact Test beim 3D-Druck wichtig?

Ja, der Charpy-Schlagtest ist beim 3D-Druck wichtig. Die Durchführung von Charpy-Schlagtests an 3D-gedruckten Proben hilft Ingenieuren dabei, die Schlagfestigkeit verschiedener 3D-Druckmaterialien zu bestimmen, wenn man bedenkt, dass einige Technologien Teile mit anisotropen Eigenschaften drucken. Das Testen von Mustern mit unterschiedlichen Druckgeometrien hilft Ingenieuren zu verstehen, wie sie ihre Designs hinsichtlich der Schlagfestigkeit optimieren können. Der Charpy-Schlagtest ist im 3D-Druck wichtig, da die Methode eine eindeutige Messung darüber liefert, wie ein gedrucktes Material bei plötzlicher Belastung Energie absorbiert. Weitere Informationen finden Sie in unserem Leitfaden „Alles, was Sie über den 3D-Druck wissen müssen“.

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