Kerbschlagbiegeversuch – Zähigkeitsprüfung unter Schlagbeanspruchung
Der Kerbschlagbiegeversuch ist ein dynamisches Prüfverfahren zur Bestimmung der Zähigkeit eines Werkstoffs gegenüber schlagartiger Beanspruchung. Er liefert einen direkten Messwert für die Fähigkeit eines Werkstoffs, Energie unter stoßartiger Last zu absorbieren, und ist ein zentrales Gütemerkmal in der Stahlnormung, im Druckbehälterbau, im Schiffbau und in der Schweißtechnik.
Prinzip des Charpy-Versuchs
Der weltweit am häufigsten eingesetzte Kerbschlagbiegeversuch ist der Charpy-Versuch nach EN ISO 148-1. Ein kerbförmig gekerbter Probekörper wird auf zwei Auflagern frei aufgelegt und durch einen Pendelhammer mit definierter Energie schlagartig gebrochen. Der Hammer schwingt aus einer definierten Ausgangshöhe herab und trifft die Probe auf der kerbabgewandten Seite. Die vom Hammer verbleibende Restenergie wird anhand der Aufschwinghöhe ermittelt. Die verbrauchte Energie – die Kerbschlagarbeit – ergibt sich aus der Differenz von Anfangs- und Endlage des Pendels.
Pendelhammerenergie und Prüfmaschine
Standard-Pendelschlagwerke haben eine Nennenergie von 300 J (nach EN ISO 148-1) oder 150 J für kleinere Proben. Der Hammer schlägt mit einer Geschwindigkeit von ca. 5–5,5 m/s auf die Probe. Moderne Pendelschlagwerke sind mit digitalen Energiemesseinrichtungen ausgestattet und können Kraft-Zeit- bzw. Kraft-Weg-Verläufe aufzeichnen (instrumentierter Kerbschlagbiegeversuch). Die Prüfmaschine muss nach EN ISO 148-2 (Prüfmaschinen) kalibriert sein.
Probenformen: V-Kerb und U-Kerb
Die Standardprobe hat die Abmessungen 55 × 10 × 10 mm. Die Kerbgeometrie unterscheidet zwei Haupttypen:
- V-Kerb (Charpy-V): Kerbtiefe 2 mm, Kerbwinkel 45°, Kerbradius 0,25 mm. Messgröße: Kerbschlagarbeit KV in Joule. Dies ist der Standardtyp in europäischen und internationalen Normen.
- U-Kerb (Charpy-U): Kerbtiefe 5 mm oder 2 mm, Kerbradius 1 mm. Messgröße: Kerbschlagarbeit KU in Joule. Weniger scharf, daher höhere Kerbschlagarbeitswerte als beim V-Kerb.
Untermaß-Proben (Subsize-Proben) mit verringerter Breite (7,5 mm, 5 mm, 2,5 mm) werden eingesetzt, wenn der Werkstoff nicht für Standardproben ausreicht.
Kerbschlagarbeit KV/KU in Joule
Die Kerbschlagarbeit wird in Joule (J) angegeben. Typische Anforderungswerte in Normen sind z. B.:
- Baustähle nach EN 10025: KV ≥ 27 J bei 0 °C oder −20 °C je nach Gütegruppe (J0, J2, K2)
- Druckbehälterstähle nach EN 13445: KV ≥ 27 J bei Auslegungstemperatur
- Schweißgut und WEZ nach EN ISO 15614-1: je nach Grundwerkstoff und Anwendung
Die Prüftemperatur wird stets zusammen mit dem Ergebnis angegeben, da die Kerbschlagarbeit stark temperaturabhängig ist.
Übergangstemperatur (DBTT – Ductile-to-Brittle Transition Temperature)
Viele Stähle mit kubisch-raumzentriertem Gitter (ferritische Stähle, bainitische Stähle) zeigen einen ausgeprägten spröd-duktil-Übergang. Bei hohen Temperaturen versagen sie duktil mit hoher Kerbschlagarbeit (Gleitbruch), bei tiefen Temperaturen spröde mit geringer Kerbschlagarbeit (Spaltbruch). Die Übergangstemperatur T₅₀ (Temperatur bei 50 % Spaltbruchanteil) oder T₂₇J (Temperatur bei KV = 27 J) ist ein wesentliches Werkstoffmerkmal. Austenitische Stähle und Aluminiumlegierungen zeigen keinen Sprödbruchübergang.
Bruchbild-Auswertung
Die Bruchfläche der Probe wird visuell oder mittels Bildanalyse ausgewertet. Unterschieden wird zwischen:
- Gleitbruch (duktil): Faserige, matte Bruchfläche durch Mikroporen-Koaleszenz. Hohe Energieabsorption.
- Spaltbruch (spröde): Glänzende, kristalline Bruchfläche durch Spaltung entlang von Kristallebenen. Geringe Energieabsorption.
- Mischbruch: Kombination beider Anteile; der prozentuale Spaltbruchanteil wird geschätzt oder gemessen.
Zusätzlich wird die laterale Breitung (lateral expansion) am Probenende gemessen – ein Maß für die plastische Verformung senkrecht zur Schlagrichtung.
Tieftemperaturprüfung
Für Prüfungen unterhalb Raumtemperatur werden die Proben in einem Temperierbad (Trockeneis/Alkohol bis −78 °C, flüssiger Stickstoff bis −196 °C) auf die Prüftemperatur gebracht. Nach EN ISO 148-1 muss die Probe innerhalb von 5 Sekunden nach Entnahme aus dem Bad gebrochen werden, damit kein nennenswerter Temperaturanstieg auftritt. Die Prüftemperatur ist auf ±2 °C einzuhalten.
Unterschied Charpy / Izod
Beim Izod-Versuch (ASTM E23, EN ISO 180) ist die Probe eingespannt und wird als Kragarm belastet. Er ist in Europa weniger verbreitet, wird aber im angloamerikanischen Raum für Kunststoffe und einige Metallprüfungen eingesetzt. Die Ergebnisse von Charpy und Izod sind nicht vergleichbar.
Normen und Regelwerke
- EN ISO 148-1: Metallische Werkstoffe – Kerbschlagbiegeversuch nach Charpy – Teil 1: Prüfverfahren
- EN ISO 148-2: Verifikation der Pendelschlagwerke
- EN ISO 148-3: Vorbereitung und Charakterisierung von Charpy-V-Referenzproben
- DIN EN 10045-1: (zurückgezogen, ersetzt durch EN ISO 148-1)
- ASTM E23: Standard Test Methods for Notched Bar Impact Testing (US-Norm)
Einsatz bei Druckbehältern, Offshore und Stahlbau
Im Druckbehälterbau (EN 13445, AD 2000) ist der Kerbschlagbiegeversuch Pflicht für alle drucktragenden Bauteile ab definierten Wanddicken und Auslegungstemperaturen. Im Offshore-Bereich (NORSOK, DNV-Regeln) gelten besonders strenge Anforderungen aufgrund der tiefen Betriebstemperaturen in arktischen Gewässern (bis −60 °C). Im Stahlbau schreibt EN 1993 (Eurocode 3) in Abhängigkeit von Temperatur, Blechdicke und Beanspruchungsart die Kerbschlagarbeit-Gütegruppe des Stahls vor.
Qualitätssicherung bei Schweißnähten
Bei der Schweißnahtprüfung werden Kerbschlagproben aus verschiedenen Zonen entnommen: aus dem Schweißgut (weld metal), der Wärmeeinflusszone (WEZ) und der Schmelzlinie (fusion line +2 mm, +5 mm). Die WEZ ist besonders kritisch, da hier Aufhärtung, Vergröberung des Korngefüges und Wasserstoffversprödung auftreten können. Nach EN ISO 15614-1 sind Kerbschlagproben aus allen genannten Zonen zu entnehmen und zu prüfen. Ergebnisse werden als Einzelwert und Mittelwert aus mindestens drei Proben angegeben.