Beurteilung von Bruchflächen anhand des Charpy-Kerbschlagbiegeversuchs

Kerbschlagbiegeversuche sind Materialtests, die durchgeführt werden, um die Zähigkeit und Sprödigkeit von Materialien zu bestimmen, wenn diese einem Schlag ausgesetzt sind. Zu den Kerbschlagbiegeversuchen gehören der Charpy-Pendelschlagtest, der Izod-Schlagzähigkeitstest, der Zugschlagtest, der Kugelfalltest, der Dupont-Schlagtest und der Dart-Schlagtest. Die Tests, die in der Industrie verwendet werden, sind der Charpy-Kerbschlagbiegeversuch und der Izod-Schlagzähigkeitstest.
Der Charpy-Kerbschlagbiegeversuch ist besonders wichtig für Materialien, die in Bauteilen verwendet werden, die starken Stößen oder hohem Druck ausgesetzt sind, wie z. B. in Kraftwerksblöcken und Rohrleitungen von Kernkraftwerken.
Auf dieser Seite finden Sie grundlegende Informationen zum Charpy-Kerbschlagbiegeversuch und zu den Versuchsobjekten sowie zur Beurteilung der Testergebnisse. Außerdem werden Herausforderungen bei der Beurteilung von Testergebnissen mit bisher verwendeten Messverfahren sowie Lösungsvorschläge vorgestellt.

Charpy-Kerbschlagbiegeversuch
Beurteilungen des Charpy-Kerbschlagbiegeversuchs
Für Charpy-Kerbschlagbiegeversuche verwendete Versuchsobjekte
Herausforderung bei gängigen Messungen von Bruchflächen
- Schwierigkeiten bei der Messung – Mikroskop
Lösungen zur Messung von Bruchflächen
Zusammenfassung: Schnelle und Quantitative Messung von Bruchflächen

Charpy-Kerbschlagbiegeversuch

Beim Charpy-Kerbschlagbiegeversuch wird mit einem Pendelhammer eine Schlagbelastung auf ein Versuchsobjekt ausgeübt, um es zu zerbrechen. Der Kerbschlagwert ergibt sich aus der Energie zum Zeitpunkt des Bruchs des Versuchsobjekts und wird zur Beurteilung der Zähigkeit und Sprödigkeit des Objektmaterials verwendet.
Wenn der Hammer nach dem Bruch des Versuchsobjekts in einem hohen Winkel ausschlägt, deutet dies darauf hin, dass das Versuchsobjekt den Schlag nicht absorbieren konnte. Wenn der Hammer in einem niedrigen Winkel ausschlägt, deutet dies darauf hin, dass das Versuchsobjekt einen größeren Teil des Schlags absorbiert hat.
Ein Versuchsmaterial, das einen größeren Aufprall absorbiert hat, kann in Bezug auf die Zähigkeit als überlegen bewertet werden. Wenn der Hammerschwingungswinkel vorgeschrieben ist und der gemessene Schwingungswinkel des Hammers höher ist als der vorgeschriebene Winkel, dann besteht das Material den Versuch nicht.

Beurteilungen des Charpy-Kerbschlagbiegeversuchs

Der Charpy-Kerbschlagbiegeversuch misst den Winkel, auf den der Hammer anfänglich angehoben wird, und den Trägheitsschwingwinkel des Hammers nach dem Bruch des Versuchsobjekts. Die Bruchfläche des Versuchsobjekts wird ebenfalls beurteilt, da sie Informationen darüber enthält, wie das Versuchsobjekt gebrochen ist.

Beurteilung der absorbierten Energie beim Charpy-Kerbschlagbiegeversuch

Der Charpy-Kerbschlagbiegeversuch wird verwendet, um die absorbierte Energie zu ermitteln, d. h. die Energiemenge, die beim Brechen des Versuchsobjekts aufgewendet wurde. Diese Energie kann anhand des Winkels berechnet werden, auf den der Hammer ursprünglich angehoben wurde, und des Winkels, auf den der Hammer nach dem Brechen des Versuchsobjekts auf der gegenüberliegenden Seite hochschwingt. Nachfolgend finden Sie eine schematische Darstellung eines Systems für Charpy-Kerbschlagbiegeversuche und die Formeln, die zur Berechnung der absorbierten Energie und der Charpy-Kerbschlagzähigkeit verwendet werden.

<Formel>
E = WR(cosθ_β – cosθ_α) – L
a = E/bh

E: Absorbierte Energie (J)
a: Charpy-Kerbschlagwert (kg-cm/cm²)
W: Gewicht des Hammers (N)
R: Abstand zwischen dem Mittelpunkt der Hammerdrehachse und dem Schwerpunkt des Hammers (m)
θ_β: Winkel, auf den der Hammer nach dem Brechen des Versuchsobjekts schwingt (°)
θ_α: Winkel, in dem der Hammer angehoben wird (°)
b: Breite des Versuchsobjekts (cm)
h: Dicke des Versuchsobjekts (cm)
L: Energieverlust durch Reibung

Für Charpy-Kerbschlagbiegeversuche verwendete Versuchsobjekte

Die folgenden Versuchsobjekte werden für den Charpy-Kerbschlagbiegeversuch verwendet. Das Versuchsobjekt wird aus demselben Material ausgeschnitten, das auch für das Produkt verwendet wird.

Versuchsmethode	Versuchsobjekt
Charpy-Kerbschlagbiegeversuch von metallischem Material	Versuchsobjekt für Charpy-Kerbschlagbiegeversuch (V-Kerbe, U-Kerbe)
Charpy-Kerbschlagbiegeversuch von kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen	Versuchsobjekt für flachen Schlag Versuchsobjekt für hochkantigen Schlag
Charpy-Kerbschlagbiegeversuch von glasfaserverstärkten Kunststoffen	Versuchsobjekt für Charpy-Kerbschlagbiegeversuch
Kunststoffbestimmung der Charpy-Kerbschlageigenschaften	Versuchsobjekt für Charpy-Kerbschlagbiegeversuch

Jedes Versuchsobjekt hat eine Vertiefung, die als Kerbe bezeichnet wird, um die Spannung zu konzentrieren. Es gibt zwei Arten von Kerben, die V-Kerbe und die U-Kerbe. Die für den hochkantigen Schlag verwendeten Versuchsobjekte unterscheiden sich von denen, die für den flachen Schlag verwendet werden. Ein hochkantiger Schlag wird auf eine schmale Fläche des Versuchsobjekts ausgeübt, während ein flacher Schlag auf eine große Fläche des Versuchsobjekts ausgeübt wird. Die folgenden Abbildungen zeigen das Versuchsobjekt und die Schlagrichtung, wenn das Versuchsobjekt einem hochkantigen Schlag ausgesetzt ist.

Hochkantiger Schlag unter Verwendung eines Versuchsobjekts mit V-Kerbe

Beurteilung der Bruchfläche beim Charpy-Kerbschlagbiegeversuch

Die Bruchfläche eines Versuchsobjekts, das bei einem Charpy-Kerbschlagbiegeversuch gebrochen ist, zeigt je nach Temperatur unterschiedliche Brucheigenschaften. Die Veränderung des Aussehens der Bruchfläche infolge einer Temperaturveränderung wird als Übergang von duktil zu spröde bezeichnet, wobei man zwischen spröden und duktilen Bruchflächen unterscheidet. Spröde Bruchflächen sind silbrig-weiß glänzende Oberflächen. Duktile Bruchflächen sind dunkelgrau und zeichnen sich durch große Verformungen und Oberflächenunregelmäßigkeiten aus. Der Anteil der spröden Bruchfläche an der gesamten Bruchfläche wird als prozentualer Sprödbruch bezeichnet. Umgekehrt wird der Prozentsatz, der durch Subtraktion des prozentualen Sprödbruchs von 100% der Bruchfläche berechnet wird, als prozentualer Duktilbruch oder Verformungsbruch bezeichnet.
Wenn zum Beispiel ein Material bei niedrigen Temperaturen getestet wird, bricht das Versuchsobjekt fast immer, während es meist seine ursprüngliche quadratische Querschnittsform behält. Die Bruchfläche zeigt einen Sprödbruch, was darauf hindeutet, dass die absorbierte Energiemenge gering ist. Wenn das gleiche Material bei hohen Temperaturen getestet wird, bildet sich eine duktile Bruchfläche und der prozentuale Sprödbruch ist geringer. Auch die Menge der absorbierten Energie steigt.
Wie oben beschrieben, lässt sich die Beziehung zwischen Temperatur und absorbierter Energie sowie die Veränderung der Zähigkeit an den Oberflächen und der Rauheit der Bruchflächen beim Charpy-Kerbschlagbiegeversuch ablesen. Dieser Versuch ist daher sehr wichtig für die quantitative Bewertung dieser Faktoren.

Unterschiede zwischen dem Charpy-Kerbschlagbiegeversuch und dem Izod-Schlagzähigkeitstest

Neben dem Charpy-Kerbschlagbiegeversuch wird auch der Izod-Schlagzähigkeitstest in der Industrie häufig verwendet. Dieser Test wird häufig für Kunststoffe verwendet und die Einheiten sind J/m. Bei beiden Methoden werden die Versuchsobjekte auf unterschiedliche Weise befestigt. Beim Charpy-Kerbschlagbiegeversuch wird das Versuchsobjekt an beiden Enden befestigt und der Schlag wird auf die Mitte des Objekts ausgeübt. Beim Izod-Schlagzähigkeitstest wird das Objekt an einem Ende befestigt und der Schlag auf das andere Ende ausgeübt. Wie beim Charpy-Kerbschlagbiegeversuch wird der Schlag mit einem Hammer ausgeführt. Aus der absorbierten Energie wird die Schlagzähigkeit berechnet, durch die das Objekt gebrochen ist. Wie beim Charpy-Kerbschlagbiegeversuch wird die absorbierte Energie durch die Messung des Winkels, auf den der Hammer angehoben wird, und des Winkels, auf den der Hammer nach dem Bruch des Versuchsobjekts aufgrund der Trägheit hochschwingt, gemessen. Die Izod-Schlagzähigkeit und die absorbierte Energie können mit den folgenden Formeln berechnet werden:

a = E/b

a: Schlagzähigkeit (J/m)
E: Für den Bruch erforderliche Energie (absorbierte Energie) (J)
b: Breite des Versuchsobjekts an der gekerbten Seite (m)

Die Formel zur Berechnung der absorbierten Energie lautet wie folgt:

E = WR(cosθ_β − cosθ_α) − L

E: Absorbierte Energie (J)
W: Gewicht des Hammers (N)
R: Abstand zwischen dem Mittelpunkt der Hammerdrehachse und dem Schwerpunkt des Hammers (m)
θ_β: Winkel, auf den der Hammer nach dem Brechen des Versuchsobjekts schwingt (°)
θ_α: Winkel, in dem der Hammer angehoben wird (°)
L: Energieverlust durch Reibung

Herausforderung bei gängigen Messungen von Bruchflächen

Bisher wurden Flächenmessungen mit einem Mikroskop durchgeführt. Das Problem dabei ist jedoch die lange Dauer der Messung und die Tatsache, dass die Ergebnisse schwer quantifiziert werden können. Darüber hinaus können die Messergebnisse in einigen Fällen nicht gespeichert oder digitalisiert werden, was die Auswertung der Bruchfläche extrem erschwert.

Schwierigkeiten bei der Messung – Mikroskop

Herausforderung bei der Messung von Bruchflächen mit einem Mikroskop

Mikroskope erfassen Informationen von einer Oberfläche. Es ist möglich, die Breite der Rillen anhand der Bewegung des Objekttisches und die Tiefe der Rillen anhand der Fokusveränderung zu messen. Mikroskope bieten auch eine hohe Vergrößerung, die eine detaillierte Betrachtung der Bruchfläche ermöglicht.
Gleichzeitig hängen die Messungen aber von den menschlichen Augen ab, was je nach Anwender zu unterschiedlichen Messergebnissen führt. Ein weiteres Problem ist, dass die Messergebnisse möglicherweise nicht quantifiziert werden können, weil die Mikroskope ursprünglich nicht zum Messen gedacht waren, oder dass die Zuverlässigkeit der quantifizierten Messwerte gering ist.

Lösungen zur Messung von Bruchflächen

Die Messung mit bisher verwendeten Mikroskopen bringt Herausforderungen mit sich, wie z. B. Abweichungen bei den Messergebnissen und die Tatsache, dass die Messergebnisse nicht quantifiziert werden können. Um diese Messprobleme zu lösen, hat KEYENCE das 3D-Profilometer der Modellreihe VR entwickelt.
Die Modellreihe VR erfasst präzise die 3D-Form der gesamten Oberfläche, ohne das Messobjekt zu berühren. Die Erfassung der Flächendaten erfolgt in wenigen Sekunden. Das System ist in der Lage, sofortige und quantitative Messungen durchzuführen. In diesem Abschnitt werden einige Vorteile der Modellreihe VR vorgestellt.

Vorteil 1: Quantitative Beurteilungen in wenigen Sekunden

Es ist möglich, die Oberfläche und das Volumen einer Metallbruchfläche zu messen, ebenso wie das Verhältnis von Querschnittsfläche zu Oberfläche. Da ein großer Bereich mit einer einzigen Messung in nur einer Sekunde gemessen werden kann, ermöglicht dies eine große Steigerung der Anzahl der Messproben. Mit gängigen Mikroskopen und Messgeräten ist dies aufgrund der langen Zeit, die für die Messung benötigt wird, schwierig.

Die Modellreihe VR kann zudem die maximalen und minimalen Punkte über einen großen Bereich messen, was mit taktilen Systemen schwierig und zeitaufwendig ist. Alle Messergebnisse liegen in digitaler Form vor, was den Arbeitsaufwand für den anschließenden Datenvergleich und die Analyse erheblich reduziert.

Vorteil 2: Das Messsystem unterstützt die Rückverfolgbarkeit

Die Modellreihe VR ist ein 3D-Profilometer, das die Rückverfolgbarkeit gemäß nationaler Normen gewährleistet. Die Spezifikationen des Systems werden sowohl in Genauigkeit als auch Wiederholgenauigkeit gewährleistet, wodurch zuverlässige Messergebnisse gegeben sind. Kalibrierzertifikate werden standardmäßig mit dem Messkopf mitgeliefert.
Wie oben beschrieben, ist die Modellreihe VR ein Messsystem, das eine vollständige Rückverfolgbarkeit bietet.
Ein Kalibriermaßstab mit Prüfbericht und Kalibrierzertifikat ist optional erhältlich. So können Anwender die Kalibrierung einfach vor Ort durchführen.

Zusammenfassung: Schnelle und Quantitative Messung von Bruchflächen

Bisher verwendete Systeme sind nur zur Betrachtung geeignet und die Quantifizierung der Ergebnisse ist schwierig, zeitaufwändig und unpräzise. Die Modellreihe VR ermöglicht eine schnelle Messung und liefert quantifizierte Ergebnisse. Dadurch können Bruchflächen beim Charpy-Kerbschlagbiegeversuch mit höherer Präzision und Effizienz bewertet werden. Natürlich kann das System auch zur Bewertung von Bruchflächen beim Izod-Schlagzähigkeitstest verwendet werden.

Die Oberfläche, das Volumen und die Rauheit der Bruchfläche können quantifiziert werden.
Die Auswertung erfolgt benutzerunabhängig.
Es sind weder Positionierung noch andere Vorbereitungen erforderlich. Anwender können einfach das Messobjekt auf den Objekttisch platzieren und die Aufnahme per Klick starten. Damit muss für die Messung kein Fachpersonal mehr herangezogen werden.
3D-Formen können mit hoher Geschwindigkeit und Präzision gemessen werden. Dadurch ist es möglich, eine große Anzahl von Messobjekten in kurzer Zeit zu messen, was zur Qualitätsverbesserung beiträgt.

Dieses System ermöglicht auch Vergleiche mit früheren 3D-Messdaten sowie eine einfache Datenanalyse, wie z. B. die Rauheitsverteilung. Es kann effektiv für eine Vielzahl von Zwecken eingesetzt werden, einschließlich der Trendanalyse von Merkmalen der Bruchoberfläche, die sich aus Temperaturänderungen ergeben, und der Überprüfung der Bruchbedingungen.

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