Biegeversuch – Grundlagen und Anwendung in der Werkstoffprüfung
Der Biegeversuch ist ein zerstörendes Prüfverfahren, bei dem ein Probekörper durch eine aufgebrachte Querkraft auf Biegung beansprucht wird. Er liefert Aussagen über die Duktilität, Verformungsfähigkeit und das Rissverhalten eines Werkstoffs oder einer Schweißverbindung. In der Schweißnahttechnik ist er eines der wichtigsten Qualifikationsprüfverfahren.
Grundprinzip: 3-Punkt- und 4-Punkt-Biegung
Beim 3-Punkt-Biegeversuch liegt die Probe auf zwei Auflagern und wird mittig durch einen Druckstempel belastet. Das maximale Biegemoment entsteht punktförmig unter dem Stempel. Dieses Verfahren wird standardmäßig bei der Schweißnahtprüfung nach EN ISO 5173 eingesetzt.
Beim 4-Punkt-Biegeversuch greifen zwei Druckstempel symmetrisch zwischen den Auflagern an, sodass im mittleren Bereich ein konstantes Biegemoment ohne Querkraft wirkt. Dieses Verfahren eignet sich besonders zur Prüfung von Beschichtungen, Klebverbindungen und für Korrosionsermüdungsuntersuchungen, da ein größeres Probenvolumen homogen beansprucht wird.
Spannungsverteilung im Querschnitt
Bei der Biegebeanspruchung entsteht über den Querschnitt eine lineare Spannungsverteilung. Die der Druckstempelseite zugewandte Oberfläche wird auf Druck beansprucht (Druckzone), während die gegenüberliegende Außenfaser auf Zug beansprucht wird (Zugzone). In der neutralen Faser beträgt die Biegespannung null. Bei schweißtechnischen Biegeversuchen liegt die kritische Zone – Schweißnahtoberfläche oder Wurzel – gezielt in der Zugzone, wo Risse am leichtesten initiiert werden.
Prüfaufbau und Parameter
Wesentliche Prüfparameter sind:
- Dornradius (r): Der Radius des Biegedorns bestimmt den Biegewinkel und die aufgebrachte Dehnung. Er wird in Abhängigkeit von der Probendicke und den Werkstoffanforderungen festgelegt (z. B. r = 2t oder r = 3t, wobei t = Probendicke).
- Auflagerabstand (L): Der Abstand der Auflager beeinflusst das Biegemoment und die Prüfkraft. Typisch: L = 2r + 3t.
- Probenbreite und -dicke: Normgerecht nach EN ISO 5173 meist 30 mm × Wanddicke, maximal 30 mm.
- Biegewinkel: In der Regel 180°, bei Werkstoffen mit begrenzter Duktilität auch 90° oder 120°.
Probenentnahme und Varianten
Die Lage der Probe relativ zur Schweißnaht bestimmt, welche Zone geprüft wird:
- Decklagenbiegeprobe (face bend): Die Schweißnahtoberfläche liegt in der Zugzone.
- Wurzelbiegeprobe (root bend): Die Schweißwurzel liegt in der Zugzone – besonders kritisch für die Erfassung von Wurzelfehlern.
- Querbiegeprobe (transverse bend): Die Probe wird quer zur Naht entnommen; prüft die gesamte Verbindung.
- Seitenbiegeprobe (side bend): Die Probe wird in der Nahtlängsachse auf die Seite gebogen; dient zur Prüfung dicker Verbindungen und gibt Aufschluss über die Durchbiegungsfähigkeit über die gesamte Nahtdicke.
Bewertungskriterien und Prüfung nach EN ISO 5173
Die Bewertung erfolgt nach EN ISO 5173 (Biegeproben für Schweißverbindungen). Als Bestehenskriterium gilt in der Regel: Keine einzelne Unregelmäßigkeit (Riss, Pore, Bindefehler) darf nach dem Biegen auf der Zugseite eine Länge von 3 mm überschreiten. Die Summe aller Unregelmäßigkeiten darf 7 mm nicht übersteigen. Risse, die von der Probenkante ausgehen und auf Kerben oder Gratbildung zurückzuführen sind, können bei der Bewertung außer Acht gelassen werden.
Duktile Werkstoffe zeigen plastische Verformung ohne Rissentstehung. Spröde Werkstoffe versagen vorzeitig durch Trennbruch, was auf unzureichende Zähigkeit hinweist.
Anwendung bei der Schweißnahtqualifikation
Der Biegeversuch ist fester Bestandteil folgender Regelwerke:
- EN ISO 15614-1: Verfahrensprüfung für das Lichtbogenschweißen von Stählen – Biegeproben sind Pflichtbestandteil der Prüfstückprüfung.
- EN ISO 9606-1: Prüfung von Schweißern – Schmelzschweißen von Stählen – Biegeproben weisen die Schweißerqualifikation nach.
- EN ISO 15614-2: Aluminium und Aluminiumlegierungen.
- ASME Section IX: Amerikanische Druckbehälternorm, ebenfalls mit Biegeprobenanforderungen.
Werkstoffverhalten: duktil vs. spröde
Das Biegeverhalten gibt direkten Aufschluss über die Duktilität. Duktile Stähle (z. B. S235, S355, austenitische Stähle) verformen sich stark plastisch und bestehen den Biegeversuch in der Regel problemlos. Spröde Werkstoffe wie Grauguss, Hartstoffauftragungen oder stark aufgehärtete Schweißverbindungen versagen dagegen durch Rissbildung bei geringen Biegewinkeln. Warmrisse, Kaltrisse (verzögerter Wasserstoffriss), Bindefehler und Poren werden durch den Biegeversuch zuverlässig aufgedeckt.
Typische Fehlerbilder
- Querrisse in der Zugzone durch Kaltrisse oder Überhärtung der Wärmeeinflusszone
- Längsrisse durch Heißrisse im Schweißgut
- Randeinrisse durch zu kleinen Dornradius oder Kerben am Probenrand
- Ablösungen in der Bindefuge bei Auftragschweißungen
- Poren-induzierte Risse bei übermäßiger Gasporosität
Relevante Normen
- EN ISO 5173 – Biegeproben für Schweißverbindungen
- EN ISO 15614-1 – Verfahrensprüfung Lichtbogenschweißen Stähle
- EN ISO 9606-1 – Schweißerprüfung Stähle
- EN ISO 7438 – Biegeversuch (allgemein)
- DIN EN ISO 5173 – deutschsprachige Fassung
- ASTM E190 – Guided Bend Test (amerikanische Entsprechung)