Versuchsaufbau

Im Kerbschlagbiegeversuch nach Charpy wird eine gekerbte Probe schlagartig auf Biegung beansprucht (mehrachsiger Spannungszustand). Die Probe besitzt in der Regel eine Länge von 55 mm und einen quadratischen Querschnitt mit 10 mm Kantenlänge. Die mittig eingelassene Kerbe hat eine V-förmige Geometrie (in Sonderfällen auch eine U-Form). Die Kerbe sorgt für eine definierte Sollbruchstelle, welche im Kerbgrund einen dreiachsigen Spannungszustand erzeugt. Die gekerbte Probe wird in das Widerlager eines Pendelschlagwerks eingespannt.

Ein ausgelenkter Pendelhammer wird anschließend aus einer bestimmten Höhe losgelassen. Im untersten Punkt der kreisförmigen Bewegung trifft die Finne des Pendelhammers mit voller Wucht auf die kerbabgewandte Seite der Probe (Aufprallgeschwindigkeit in der Regel zwischen 5,0 und 5,5 m/s). Die Probe wird zerschlagen und nimmt dabei einen Teil der Bewegungsenergie des Hammers auf. Mit der verbliebenen Restenergie schwingt der Hammer auf eine bestimmte Höhe aus. Aufgrund der absorbierten Bewegungsenergie durch die Probe erreicht dieser jedoch nicht wieder seine ursprüngliche Ausgangshöhe [fahre hierzu mit der Maus über die Abbildung und entferne sie wieder].

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Abbildung: Kerbschlagbiegeversuch nach Charpy

 

Kerbschlagbiegeversuch, Charpy, Widerlager, V-Probe

Abbildung: Widerlager

Die Verformungsenergie und damit die erreichte Endhöhe ist abhängig von der Zähigkeit der Probe. Je zäher das Material, desto stärker muss dieses bis zum Bruch verformt werden. Die benötigten Verformungsenergien sind dementsprechend groß und die Pendelenergie wird stark absorbiert. Der Hammer erreicht dann nur noch eine geringe Endhöhe nach Zerschlagen der Probe. Sehr spröde Proben brechen hingegen fast ohne Verformung und benötigen demzufolge nur eine geringe Verformungsenergie. Der Pendelhammer schwingt nahezu auf Ausgangsniveau. Ein solcher Vergleich zwischen zähem und sprödem Bruchverhalten ist vorerst nur möglich nur, wenn auch identische Probengeometrien genutzt werden. 

Die für das Zerteilen der Probe benötigte Verformungsenergie wird als Kerbschlagarbeit K bezeichnet (KV: Proben mit V-Kerbe; KU: Proben mit U-Kerbe). Die Kerbschlagarbeit kann folglich aus der Differenz der anfänglichen Lageenergie Wa und schlussendlichen Lageenergie We des Pendelhammers ermittelt werden. Bei gegebener Anfangshöhe H und Masse m des Pendelhammers ist die Kerbschlagarbeit nur von der erreichten Endhöhe h abhängig. Über einen Zeiger, der ab dem Durchschwingen des Pendelhammers durch den tiefsten Punkt mitgeführt wird (sog. Schleppzeiger), kann die Kerbschlagarbeit direkt an der Messuhr abgelesen werden.

\begin{align}\;\;\;\;\;
\label{kerbschlagarbeit}
&K = W_a - W_e = m \cdot g \cdot H - m \cdot g \cdot h = m \cdot g \cdot \left(H-h \right) \\[5px]
&\boxed{K = m \cdot g \cdot \left(H-h \right)} ~~~~~[K_V]=\text{J} ~~~~~\text{Kerbschlagarbeit} \\[5px]
\end{align}

Kerbschlagbiegeversuch, Charpy, Proben, V-Probe, U-Probe, Geometrie, Zeichnung, Maße

Abbildung: Kerbschlagproben

Die auf diese Weise ermittelte Kerbschlagarbeit hängt stark vom zu zerteilenden Probenquerschnitt ab. Große zu zerteilende Probenquerschnitte erfordern grundsätzlich größere Verformungsenergien als kleiner, auch wenn unter Umständen ein spröderes Verhalten vorliegt. Deshalb sind Zähigkeitsvergleiche über die Kerbschlagarbeit nur möglich, wenn diese an identischen Probengeometrien gewonnen wurden. Sollte dies nicht der Fall sein, so ist ein Vergleich (wenn überhaupt) nur dann möglich, wenn die Kerbschlagarbeit \(K\) auf den zu zerteilenden Probenquerschnitt \(A_K\) bezogen wird. Diese Größe wird als Kerbschlagzähigkeit \(\alpha\) bezeichnet.

\begin{align}\;\;\;\;\;
\label{kerbschlagzaehigkeit}
&\boxed{\alpha = \frac{K}{A_K}} ~~~~~[\alpha]=\frac{\text{J}}{\text{mm²}} ~~~~~\text{Kerbschlagzähigkeit} \\[5px]
\end{align}

Beachte, dass auch die Kerbschlagzähigkeit an sich kein reiner Werkstoffkennwert ist, da diese nicht vom Werkstoff alleine abhängig ist. So wird die Kerbschlagarbeit und damit die Kerbschlagzähigkeit auch von der Form des Probenquerschnitts beeinflusst und im besonderen Maße von der Form der Kerbe sowie der Geschwindigkeit mit der die Hammerfinne auf die Probe trifft (siehe auch Kapitel Bruchformen). Somit handelt es sich bei der Kerbschlagarbeit und der Kerbschlagzähigkeit um rein technologische Kennwerte, die in keine Dimensionierungsrechnungen einbezogen werden.