Kerbversuch - marcel-prinz-net
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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) ■■■■■■ erarbeitet von Marcel Prinz – Matrikel-Nr.verschiedener : 7690680 – www.marcel-prinz.net 25 Notizen 26 ■ ■ ■ ■ ■ ■ erarbeitet von Marcel Prinz – Matrikel-Nr. : 7690680 – www.marcel-prinz.net
