Charpy-Kerbschlagversuch: Messung der Werkstoffzähigkeit, Verfahren und Auswertung

Der Charpy-Kerbschlagversuch wurde in den 1900er-Jahren entwickelt, um das vorzeitige Versagen von Werkstoffen besser zu verstehen. Er bestimmt die beim Bruch absorbierte Energie (Schlagenergie) und bewertet die Charpy-Schlagzähigkeit. Der Test ist vergleichend: Schlagzähigkeiten verschiedener Materialien werden unter identischen Standards verglichen. Ein genormter, gekerbter Probenkörper wird von einem schwingenden Pendel getroffen. Die Höhendifferenz des Pendels vor und nach dem Aufprall bestimmt die absorbierte Energie. Der Test prüft Kerbzähigkeit – den Widerstand eines Materials gegen Bruch an der Kerbstelle.

Der Charpy-Kerbschlagversuch misst die Schlagzähigkeit, indem ermittelt wird, wie viel Energie ein Material beim Bruch absorbiert. Die absorbierte Energie ergibt sich aus der Höhendifferenz, das Ergebnis hängt von den Eigenschaften des Charpy-Probenkörpers ab.

Was ist der Charpy-Kerbschlagversuch?

Der Charpy-Kerbschlagversuch misst die Fähigkeit eines Materials, Energie beim Bruch zu absorbieren. Ein genormter, gekerbter Probenkörper wird von einem schwingenden Pendel getroffen. Die absorbierte Energie ergibt sich aus der Höhendifferenz vor und nach dem Schlag. Ziel: Bewertung der Schlagzähigkeit, speziell des Widerstands gegen spröden Bruch unter hohen Dehnraten. Essentiell für das Verständnis des Materialverhaltens unter Realbedingungen (extreme Temperaturen, plötzliche Stöße). Der Test misst Zähigkeit durch Prüfung der Reaktion auf plötzliche Kräfte.

Die Schlagversuchsdefinition basiert auf Vergleich der absorbierten Energie verschiedener Materialien unter standardisierten Bedingungen.

Geschichte des Charpy-Kerbschlagversuchs

Der Test stammt aus dem frühen 20. Jahrhundert, entwickelt zum Verständnis von Materialversagen unter plötzlichem Aufprall. Erfunden von Georges Augustin Albert Charpy 1901. Ziel: Aufklären, warum Maschinen (Dampfkessel, Dampfmaschinen, militärische Waffen) vorzeitig versagten. Charpy verbesserte den pendelbasierten Ansatz von S. B. Russell. Er entdeckte, dass eine Kerbe im Probenkörper Genauigkeit und Sensitivität erhöht. Der Test wurde nach Charpy benannt für seine Standardisierungsbemühungen und technischen Verbesserungen.

Bedeutung des Charpy-Kerbschlagversuchs

Der Test liefert wertvolle Einblicke in die Fähigkeit eines Materials, plötzlichen Kräften oder Stößen standzuhalten. In der Werkstofftechnik essenziell, da er Zähigkeit und Zuverlässigkeit in Umgebungen mit schneller Belastung oder Temperaturschwankungen bestimmt. Beim 3D-Druck sichert das Verständnis der Charpy-Schlagzähigkeit gedruckter Materialien, dass Teile realen Belastungen standhalten ohne zu versagen. Rolle im Maschinenbau: Materialauswahl für Bruchfestigkeit unter unerwarteten Lasten. Charpy-Test bewertet Kerbzähigkeit – Widerstand gegen Rissfortschritt an der Kerbe – kritisch für Anwendungen, wo Versagen katastrophale Folgen hat.

Berechnung des Charpy-Kerbschlagversuchs

Vier Schritte: 1) Probenkörper im Prüfgerät unter dem Pendel spannen. 2) Pendel freigeben, trifft gekerbten Probenkörper. 3) Pendelhöhe vor und nach Aufprall messen → absorbierte Energie. 4) Charpy-Formel anwenden: Energiedifferenz der potentiellen Energie minus Verluste durch Reibung und Luftwiderstand. Berechnung über Schlagversuchsformel mit Pendelmasse und Höhendifferenz, unter Berücksichtigung von Reibungs- und Windverlusten.

Formel des Charpy-Kerbschlagversuchs

Die Formel berechnet die vom Probenkörper absorbierte Energie:

E = m · g · Δh

E = absorbierte Energie (Joule), m = Pendelmasse (kg), g = Erdbeschleunigung (9,81 m/s²), Δh = Höhendifferenz vor/nach Aufprall (m).

Beispiel: Pendel 1,5 kg, Auslenkung 2 m, Rückschlaghöhe 1 m nach Aufprall.

E = 1,5 · 9,81 · (2 − 1) = 14,715 J

Der Probenkörper absorbierte 14,715 Joule. Der Charpy-Test bestimmt absorbierte Energie (typisch in Joule), Schlagzähigkeit oft als Energie pro Flächeneinheit (J/cm² oder kJ/m²).

Einheit des Charpy-Kerbschlagversuchs

Ergebnisse in Joule (SI-Einheit Energie). 1 Joule = Arbeit bei 1 Newton über 1 Meter. Für Schlagzähigkeit in J/m²: Joule-Wert geteilt durch Querschnittsfläche an der Probenkerbe.

Schritt-für-Schritt-Verfahren des Charpy-Kerbschlagversuchs

1. Probenvorbereitung: Material auf Normmaße zuschneiden (standardisierter Quader), frei von Oberflächendefekten. Probenkörper in Prüfmaschine positionieren, Kerbseite vom Pendel wegweisend. Korrekte Vorbereitung essenziell für genaue Ergebnisse.
2. Kerborientierung: Kerbe präzise ausrichten – Lage und Orientierung beeinflussen Ergebnisse. Kerbe in Probenmitte, wegweisend von Aufprallrichtung. Korrekte Orientierung essenziell für Charpy-Verfahren.
3. Pendelschlag: Pendel von bekannter Höhe freigeben, schwingt herab und trifft gekerbten Probenkörper. Aufprallkraft bricht Probenkörper, Pendelhöhe sinkt entsprechend. Schritt simuliert plötzliche Krafteinwirkung.
4. Energiemessung: Höhendifferenz vor/nach Aufprall messen. Absorbierte Energie berechnen über Höhendifferenz, Pendelmasse, Schwerkraft. Abschluss des Verfahrens – Bestimmung von Zähigkeit und Schlagwiderstand.

Welche Maschine wird beim Charpy-Kerbschlagversuch genutzt?

Ein Charpy-Kerbschlagprüfgerät prüft die Schlagzähigkeit eines Probenkörpers. Relativ einfache Konstruktion: Pendel schwingt in Probenkörper, bricht ihn. Absorbierte Energie wird an einem Zifferblatt abgelesen.

Charpy-Kerbschlagversuch Normen

Definiert durch spezifische Richtlinien für Konsistenz und Zuverlässigkeit. Wichtigste Normen: ASTM E23 und ASTM D6110. ASTM E23 für metallische Werkstoffe (Probenvorbereitung, Prüfverfahren, Geräteanforderungen). ASTM D6110 für Kunststoffe (Schlagzähigkeit von Polymeren via Charpy-Test). Beide essenziell für genaue, vergleichbare Ergebnisse über verschiedene Materialien und Prüfbedingungen.

Prüftemperatur beim Charpy-Kerbschlagversuch

Standardprüftemperatur: 23 °C. Tests werden jedoch über viele Temperaturbereiche durchgeführt, um den duktil-spröden Übergang des Materials zu ermitteln.

Zwei Arten von Charpy-Kerbschlagversuchsergebnissen

1. Quantitative Ergebnisse: Messbare Daten in Joule – absorbierte Energie beim Aufprall. Bestimmt Charpy-Schlagzähigkeit und Bruchfestigkeit unter Spannung. Ermöglicht Materialvergleich bezüglich Zähigkeit und Schlagwiderstand.
2. Qualitative Ergebnisse: Einblicke in Materialverhalten: spröder oder duktiler Bruch. Visuelle Beurteilung der Bruchfläche nach Test (plastische Verformung/Seitliche Ausdehnung vs. kristalline, flache Oberfläche). Vervollständigt Verständnis der Materialleistung unter Schlag.

1. Quantitative Ergebnisse

Numerische Daten – typisch absorbierte Energie beim Bruch im Charpy-Test. Duktil-spröder Übergangstemperatur (DBTT) wird durch Testen mehrerer Proben bei verschiedenen Temperaturen geschätzt – drastischer Anstieg der benötigten Schlagenergie markiert Übergang.

Charpy-Formel: E = m · g · (h₁ − h₂)

Charpy-V-Kerbversuch: Warum wichtig?

Der V-förmige Kerb erzeugt kontrollierte Spannungskonzentration, erzwingt Bruchanfang an präziser Stelle, ermöglicht genaue Messung der Schlagzähigkeit. Sicherstellt, dass Energieabsorption unter reproduzierbaren Bedingungen bei plötzlicher Belastung bewertet wird. V-Kerbtest zeigt, wie effizient Material sprödem Versagen bei Hochgeschwindigkeitsaufprall widersteht. Kerbtest standardisiert Rissinitiation, sodass absorbierte Energiewerte über verschiedene Proben vergleichbar bleiben. Der Charpy-Winkel (Kerwinkel) definiert den exakten Kerbwinkel, der Spannungsintensität steuert und direkt Genauigkeit/Konsistenz der Zähigkeitsmessung beeinflusst.

Charpy-Kerbschlagversuch Diagramm: Darstellung

1. Layout: Starres Gestell mit Pendel in fixer Höhe über Probenkörper. Gravitationspotenzielle Energie → Schlagenergie am Aufprallpunkt.
2. Anordnung: Probenkörper horizontal auf zwei Auflagen mit definiertem Abstand. Kerbe zum Pendel weisend – Bruchinitiation an höchster Spannungskonzentration.
3. Betrieb: Pendelbahn von Freigabe bis Probenkontakt. Differenz zwischen Auslenk- und Rückschlaghöhe = absorbierte Energie beim Bruch.
4. Energiemessung: Mechanische Skala oder digitale Anzeige an Pendelachse. Gemessener Energieverlust = Schlagzähigkeit unter plötzlicher Belastung.

Faktoren, die den Charpy-Kerbschlagversuch beeinflussen

• Streckgrenze: Beeinflusst Steifigkeit – höhere Streckgrenze reduziert Verformung vor Bruch.
• Kerbe: Erzeugt kontrollierte Spannungspunkte, lenkt Bruchpfad, beeinflusst gemessene Zähigkeit.
• Temperatur: Verschiebt Balance zwischen sprödem/duktilen Verhalten, ändert Bruchenergie.
• Bruchmechanismus: Zeigt, wie Material unter Aufprall versagt, reflektiert internen Strukturwiderstand.

1. Streckgrenze

Materialstreckgrenze steigt, wenn Schlagenergie sinkt. Höhere Streckgrenze = geringere Zähigkeit. Materialien, die vor Endbruch plastisch verformen, sind zäher. Streckgrenze und höhere Streckgrenze sind Faktoren, die steifere Antwort erzeugen und absorbierte Energie reduzieren.

2. Kerbe

Kerbe führt kontrollierten Spannungspunkt ein, lenkt Bruchpfad, beeinflusst gemessene Zähigkeit. V-Kerb bei spröden, U-Kerb bei duktilen Materialien. U-Kerb hat höheren Spannungskonzentrationsfaktor als V-Kerb. Kerben müssen präzise identisch sein für genaue, vergleichbare Ergebnisse.

3. Temperatur

Temperatur ändert Materialverhalten, verschiebt spröde-duktile Balance bei Schlagbelastung. Typisch 23 °C, aber höhere/niedrigere Temperaturen für duktil-spröden Übergangsverlauf. Höhere Temperaturen erhöhen Schlagzähigkeit.

4. Bruchmechanismus

Bestimmt, wie Material unter plötzlicher Kraft trennt und definiert Energie für vollständigen Bruch. Zwei Mechanismen: Spaltung (cleavage) – typisch spröde Materialien; Mikrohohlraum-Koaleszenz (microvoid coalescence) – typisch duktile Materialien. Spaltungsbruch = geringere Schlagenergie als Mikrohohlraum-Koaleszenz.

Bedeutung des Charpy-Tests im 3D-Druck

Ja, Charpy-Test ist im 3D-Druck wichtig. Tests an 3D-gedruckten Proben helfen Ingenieuren, Schlagzähigkeit verschiedener Druckmaterialien zu bestimmen – einige Technologien erzeugen anisotrope Eigenschaften. Tests mit verschiedenen Druckgeometrien zeigen, wie Designs für Schlagzähigkeit optimiert werden können. Charpy-Test liefert klare Messung, wie gedrucktes Material Energie bei plötzlicher Belastung absorbiert. Mehr in unserem Leitfaden zu 3D-Druck.

Technisches Datenblatt-Glossar für weitere Materialeigenschaften.