Kerbschlagbiegeversuch nach DIN 50115

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1 Kerbschlagbiegeversuch nach DIN Gliederung: 1. Allgemeine Einführung 2. Deutung der Brucharten 2.1 Trennbruch 2.2 Verformungsbruch 2.3 Mischbruch 3. Einflüsse auf den Bruchcharakter 3.1 Einfluss der Beanspruchungsart 3.2 Einfluss der Verformungsgeschwindigkeit 3.3 Einfluss des Kerbs 3.4 Einfluss der Versuchstemperatur 4. Versuchsdurchführung 4.1 Aufbau und Funktion eines Pendelschlagwerkes 4.2 Beschreibung der Probe 4.3 Versuchsablauf 5. Auswertung der Ergebnisse 5.1 Messwert-Tabelle 5.2 Versuchstemperatur Schlagarbeit - Diagramm 5.3 Deutung des Bruchverhaltens 5.4 Bruchbilder (Digitalaufnahmen) 6. Auswertung einer kompletten Messreihe 7. Literaturverzeichnis 8. Anhang Seite 1 von 17

2 1. Allgemeine Einführung Beim Kerbschlagbiegeversuch, der in die Gruppe der dynamischen Fesitgkeitsprüfungen einzuordnen ist, werden mit Hilfe eines Pendelschlagwerkes genormte Proben einer schlagartigen Biegebeanspruchung ausgesetzt. Dieses unkomplizierte und preiswerte Prüfverfahren findet vor allem in der Massenproduktion Verwendung, da sich somit sehr schnell eventuelle Qualitätsschwankungen der zu verarbeitenden Werkstoffe feststellen lassen. Im Allgemeinen dient der Kerbschlagbiegeversuch der Güteprüfung von Werkstoffen aller Art, wie z. B. Metalle oder Kunststoffe. Bei Metallen lässt sich insbesondere deren Gefügestruktur auf Gleichmäßigkeit untersuchen, was vor allem nach Wärmebehandlung (Glühen, Härten, Vergüten) erforderlich ist und je nach Art der Verletzung der Probe (Trenn-, Verformungs- oder Mischbruch) wichtige Erkenntnisse über die Sprödigkeit von Werkstoffen liefert. Da die Prüfung einer einzelnen Probe noch kein relevantes Ergebnis liefert, werden Messreihen unter genormten Bedingungen durchgeführt. Vergleicht man die gewonnenen Messwerte, kann man Aussagen über die spezifische Sprödigkeit eines Werkstoffes treffen. Jedoch liefert der Kerbschlagbiegeversuch keine Kennwerte für die Festigkeitsberechnung, weshalb sich diese Art von Werkstoffprüfung neutral gegenüber der Dimensionierung von Bauteilen verhält. 2. Deutung der Brucharten Der grundsätzliche Wert des Kerbschlagbiegeversuchs besteht aus der Deutung des Bruchbildes. Hierbei unterscheidet man zwischen Trennbruch (auch Sprödbruch genannt), Verformungsbruch (= duktiler Bruch) und Mischbruch. Je nach Art des Werkstoffes und den äußeren Versuchsbedingungen wie Temperatur, Verformungsgeschwindigkeit, Beanspruchungsart und Form der Probenkerbung besitzen die Werkstoffproben ein unterschiedliches Bruchverhalten. Seite 2 von 17

3 Die Art des Bruches hängt unter anderem ab von den Verhältnissen zwischen Zugund Schubspannung und zwischen Trennfestigkeit und Gleitwiderstand zu Beginn und während des Versuches. 2.1 Trennbruch: Charakteristische Merkmale eines Trennbruches sind: plötzliches Auftreten ohne Vorwarnung durch (bleibende) plastische Verformung geringe verbrauchte Schlagarbeit A v Bruchfläche besitzt ein körniges, glitzerndes Aussehen und verläuft überwiegend die Spaltebenen innerhalb der Kristalle, also transkristallin. Ein Trennbruch tritt dann auf, wenn die Trennfestigkeit (auch Kohäsion genannt) von der maximalen Zugspannung eher erreicht wird als der Gleitwiderstand von der Schubspannung überschritten wird. Dadurch erscheint der Werkstoff spröde, wodurch der Trennbruch auch als Sprödbruch bezeichnet wird. 2.2 Verformungsbruch Im Gegensatz zum Sprödbruch wird hier der Gleitwiderstand überschritten, bevor die Zugspannung die Trennfestigkeit erreicht. Die Probe erfährt eine bleibende Verformung und dadurch eine Verfestigung. Durch diese Verfestigung steigt im Gegensatz zur Trennfestigkeit der Gleitwiderstand stärker an. Bleibt nun aber die Zugspannung trotzdem unter der Trennfestigkeit, so erfolgt der Bruch durch Abscheren, die Bruchfläche liegt parallel zur größten Schubspannung, also unter 45 zur Schlagrichtung, da die Probe ihre größte Schubspannung unter 45 zur Längsrichtung besitzt. Beim Verformungsbruch, der auch duktiler Bruch genannt wird, erscheint der Werkstoff zäh. Anzeichen für einen Verformungsbruch: hohe verbrauchte Schlagarbeit A v Seite 3 von 17

4 Bruchfläche besitzt einen sehnigen, matten Charakter Einschnürung bzw. Verformung der Bruchränder unter Mischbruch Lässt sich der Bruch weder als Trenn- noch als Verformungsbruch einstufen, so spricht man von einem Mischbruch. Dieser besitzt beiderlei Eigenschaften, also sowohl eine in der Mitte körnige glitzernde Bruchfläche, als auch eine Verformung am Rand. Da die eine Bruchfläche ein tellerähnliches und die andere ein tassenähnliches Aussehen aufweist, wird der Mischbruch auch als Teller-Tassen-Bruch bezeichnet. 3. Einflüsse auf den Bruchcharakter Jeder Werkstoff besitzt bestimmte spezifische Brucheigenschaften. Hierfür sind verschiedene Faktoren verantwortlich, die sich bis größtenteils auch beeinflussen lassen, um ein möglichst breites Spektrum an Versuchsergebnissen zu erhalten. Folgende Werte sind mitentscheidend für den Bruchcharakter eines Werkstoffes: die Beanspruchungsart die Verformungsgeschwindigkeit der Kerb die Versuchstemperatur sowie der Werkstoffzustand. Seite 4 von 17

5 3.1 Einfluss der Beanspruchungsart In einem Körper lassen sich drei verschiedene Beanspruchungsarten bezüglich des Spannungszustandes einstellen. Diese sind abhängig von der Beanspruchungsart des gewählten Versuchs auf den Probekörper, somit für einen Versuch gleicher Bedingungen stets verbindlich und unveränderbar. Der Kerbschlagbiegeversuch führt zu einem dreiachsigen Spannungszustand. Mit Hilfe verschiedener Werkstoffprüfverfahren kann man folgende Beanspruchungsarten herbeiführen: Einachsiger Spannungszustand: Dieser wird unter anderem beim Zugversuch erreicht, da hier Schub- und Zugspannung nur in eine Richtung wirken, nämlich in die Zugrichtung. Zweiachsiger Spannungszustand: Beim Wechselbiegeversuch beispielsweise entstehen Spannungen zum einen in Richtung der Amplitude, zum anderen in Längsrichtung der Probe, womit ein zweiachsiger Spannungszustand erreicht wird. Dreiachsiger Spannungszustand: Der Kerbschlagbiegeversuch bewirkt Zug- und Schubspannungen in Längsrichtung der Probe, in Richtung des Pendelhammers und in Richtung des Kerbgrundes, woraus sich ein dreiachsiger Spannungszustand bildet. Seite 5 von 17

6 Fachhochschule Coburg Fachbereich Maschinenbau Gruppe 8 WS 2001/ Kerbschlagbiegeversuch nach DIN Einfluss der Verformungsgeschwindigkeit Die Verformungsgeschwindigkeit, also das Tempo, mit dem die Probe durchschlagen bzw. durchzogen wird, lässt sich frei wählen. Jedoch verfährt man bei einem Kerbschlagbiegeversuch nach DIN Schlaggeschwindigkeit von etwa 5 6. Anhand erkennt des v-g,t-diagrammes man, stets dass mit mit einer steigender Verformungsgeschwindigkeit der Gleitwiderstand eines Werkstoffes stärker ansteigt als dessen Trennfestigkeit, d.h. je schneller die Probe durchschlagen wird, desto eher kommt es zu einem Trennbruch, da das Gleiten einen (atomar gesehen) größeren Weg in Anspruch nimmt. Beim Gleiten kommt es zur Wanderung von Versetzungen, das bedeutet die Verschiebung findet an den Korngrenzen statt, also interkristallin. Beim transkristallinen Trennbruch hingegen erfolgt Trennung direkt Seite 6 von 17

7 Fachhochschule Coburg Fachbereich Maschinenbau Gruppe 8 WS 2001/ Kerbschlagbiegeversuch nach DIN durch die Kristalle und ist somit kürzer bezüglich des Weges. Da sich Arbeit aus dem Produkt von Kraft und Weg ergibt, lässt sich bei gleicher Arbeit ein längerer Weg nur durch eine größere Kraft kompensieren. Der Punkt, in dem sich die beiden Graphen von Trennfestigkeit und Gleitwiderstand schneiden, wird vkrit genannt. Allgemein gilt: im Punkt vkrit wird die Trennfestigkeit erreicht, bevor der Gleitvorgang einsetzen kann, folglich kommt es ab vkrit aufwärts zu einem Trennbruch. 3.3 Einfluss des Kerbs Durch die Einkerbung des Probekörpers werden die Versuchsbedingungen wesentlich verschärft, da somit ein dreiachsiger Spannungszustand entsteht. Die übertragene Kraft Richtungsänderung durch und den Pendelhammer aufgrund des an erfährt der im Kerbgrund Kerböffnung eine fehlenden Materialvolumens wird die Querkontraktion im Kerbgrund behindert. Somit treten Querzugspannungen auf. Spannungen in Hammer-Richtung Spannungen in Spannungen Proben-Richtung Ein dreiachsiger in KerbRichtung Spannungszustand führt zu einer Kerbgrund Verminderung der Schubspannung und begünstigt somit das Auftreten eines Trennbruches. Die Spannungserhöhung im Kerbgrund steigt mit der Schärfe der Kerbe, da sich die Verformung auf ein umso kleineres Volumen reduziert, womit sich gleichzeitig auch die Verformungsgeschwindigkeit im Kerbrund erhöht. Seite 7 von 17

8 Fachhochschule Coburg Fachbereich Maschinenbau Gruppe 8 WS 2001/ Kerbschlagbiegeversuch nach DIN Einfluss der Versuchstemperatur Die Temperatur eines Werkstoffes definiert sich als die Intensität der Atomschwingungen, d.h. die Bewegung um ihre Ruhelage. Je stärker diese Schwingungen, desto höher ist die kinetische Energie der Atome und desto wärmer ist der Stoff. Gleichzeitig sinkt jedoch die Bindungsenergie zwischen den Atomen. Bei einer Temperatur von -273,15 C (= 0 K, absoluter Nullpunkt nach Kelvin) findet praktisch keine Bewegung mehr statt, die kinetische Energie beträgt quasi Null. Somit besteht die höchste erreichbare Bindungsenergie. Aus dem für ferritischen Stahl geltenden Diagramm lässt sich entnehmen, dass die Trennfestigkeit mit steigender Temperatur stärker ansteigt als der Gleitwiderstand. Dies lässt sich eben aufgrund der bereits angesprochenen Schwingung der Atome zurückführen. Erhöht man die Temperatur eines Stoffes, so steigt dessen innere kinetische Energie, die Atome schwingen stärker um ihre Ruhelage. Dadurch ist es Seite 8 von 17

9 für die Kristalle einfacher, aneinander vorbei zu gleiten, was die Voraussetzung für einen Verformungsbruch ist. Analog dazu besitzt ein Stoff bei niedriger Temperatur eine höhere Bindungsenergie, der Gleitvorgang wird somit erschwert und der Trennbruch wird begünstigt. Den Schnittpunkt beider Graphen bezeichnet man als Übergangstemperatur (ÜT). Ab ÜT abwärts kommt es zu Trennbrüchen. Die Übergangstemperatur charakterisiert zudem noch eine wichtige Eigenschaft von Werkstoffen, nämlich die der Kaltsprödigkeit. Diese liegt vor, wenn ÜT bei Raumtemperatur oder darunter liegt. 4. Versuchsdurchführung Die hohe Effizienz des Kerbschlagbiegeversuches liegt in seiner Einfachheit. Es wird dabei eine gekerbte Probe mittels eines Pendelschlagwerkes durchschlagen bzw. durchzogen, die dabei verbrauchte Schlagarbeit lässt sich an der Messskala des Schleppzeigers direkt ablesen und die Bruchfläche wird auf ihre Eigenschaften hin optisch analysiert. 4.1 Aufbau und Funktion eines Pendelschlagwerkes Pendelhammer Ausklinkhöhe H Schleppzeiger und Messskala Durchschwinghöhe h Widerlager für Probe Seite 9 von 17

10 Das Pendelschlagwerk besteht im Wesentlichen aus einem Pendelhammer, der drehbar auf einem Stativ gelagert ist. Am tiefsten Punkt der Hammer-Durchschwing-Bahn befinden sich zwei Widerlager, auf der die zu prüfende Werkstoffprobe so eingesetzt wird, dass sie von der abgerundeten Hammerfinne des Pendelhammers auf der dem Kerb abgewandten Seite getroffen wird. 4.2 Beschreibung der Probe Der Betrag der verbrauchten Schlagarbeit ist stark abhängig von der Probenform sowie von der Kerbart. Zudem gibt es für den Kerbschlagbiegeversuch kein Proportionalitätsgesetz, d.h. die Proben müssen für vergleichbare Werte stets auch dieselbe Form, sowie gleiche Abmessungen und identische Einkerbungen besitzen. Bei einer Versuchsdurchführung nach DIN beschränkt man sich deshalb auf Proben nach DVM (Deutscher Verband für die Materialprüfungen der Technik). Die Einkerbung erfolgt zunächst aus einer Bohrung von 2 mm, die anschließend von oben mit einer Stärke von 1 mm aufgesägt wird. Dies garantiert, dass im Kerbgrund keine Sägerillen entstehen, da diese ebenfalls als kleine Einkerbungen wirken würden und somit das Versuchsergebnis verfälschen würden. Falls eine Versuchsreihe mit DVM-Proben nur Ergebnisse mit sehr geringen bzw. keinen Unterschieden liefert, verfährt man mit DVMF-Proben, die einen milderen Kerb besitzen. Seite 10 von 17

11 4.3 Versuchsablauf Es sind 5 Proben des Werkstoffes St 37 k (Baustahl, kaltgezogen, Mindestzugfestigkeit 370 ) mit unterschiedlichen Temperaturen (150 C, 75 C, RT=23 C, 0 C und -25 C) zu durchschlagen. Die Proben entsprechen den Abmessungen nach DVM. Vor einer Versuchsreihe ist festzustellen, wie groß die Reibungsarbeit am Pendelschlagwerk ist, die augrund der Luftreibung des Pendelhammers und vor allem am Drehlager zwischen Stativ und Hammer auftritt. Hierbei startet man einen Leerversuch und liest die verbrauchte Schlagarbeit direkt an der Skalierung ab. Diese stellte mit einem Wert von 0,5 Nm als vernachlässigbar heraus. Eventuell höhere Werte wären bei den Ergebnissen entsprechend zu berücksichtigen. Die Proben müssen mit Hilfe eines am Pendelschlagwerk befindlichen Dorns an den Widerlagern so zentriert werden, dass sich die Einkerbung genau auf Linie der Hammerfinne befindet. Außerdem ist darauf zu achten, dass die Probe direkt an den Widerlagern anliegt und sich kein Spiel zwischen Probe und Lagern befindet, da dieses die Schlagarbeit beeinflussen kann. Vor jedem Schlag ist der Schleppzeiger für die Kerbschlagarbeit jeweils wieder auf Null zu stellen. Nach dem Öffnen der Pendelhammer-Arretierung schwingt dieser selbständig von der Ausklinkhöhe H nach unten, beschleunigt auf die Versuchsgeschwindigkeit von Seite 11 von 17

12 etwa 5-6 und trifft im tiefsten Punkt auf die Probe, die dadurch zerschlagen bzw. durchzogen wird. Ab dem Auftreffen auf die Probe wird der Schleppzeiger bis zur Durchschwinghöhe h mitgenommen, wo er stehen bleibt. Anschließend muss der Pendelhammer bis zum Stillstand abgebremst werden und für die nächste Probe erneut auf Höhe H gebracht und arretiert werden. Beim Durchschlagen der Proben wird neben Versuchstemperatur und verbrauchter Schlagarbeit auch der jeweilige Klang beim Zerbrechen ermittelt und das jeweilige Bruchbild betrachtet. 5. Auswertung der Ergebnisse Die einfachste und übersichtlichste Art der Auswertung erreicht man mit Hilfe einer Messwert-Tabelle, in der Versuchstemperatur, Schlagarbeit, Verformung und Klang festgehalten und verglichen werden. 5.1 Messwert-Tabelle Versuchs- Schlagarbeit Plastische Probe Temperatur in C A V in Nm Verformung Klang Bruchart ,0 gering hell Sprödbruch ,5 gering relativ hell Mischbruch ,5 ja dumpf Verformungs- Bruch sehr gering sehr hell Sprödbruch ,5 nein glas-hart Sprödbruch 5.2 Versuchstemperatur Schlagarbeit - Diagramm Seite 12 von 17

13 Anhand dieses Diagramms ist die graphische Auswertung der fünf Versuchsergebnisse zu erkennen. 5.3 Deutung des Bruchverhaltens Probe 1: Probe 1 weist eine nur sehr geringe plastische Verformung auf, hatte einen hellen Klang beim Durchschlagen und das Bruchbild war körnig glänzend. Fazit: Sprödbruch Probe 2: Seite 13 von 17

14 Der Klang bei Probe 2 war im Vergleich zu Probe 1 zwar etwas dumpfer, jedoch noch relativ hell. Die innere Bruchfläche wies sprödbruch-ähnliches körniges Glitzern auf und an den Rändern konnte ein mattes, sehniges Aussehen festgestellt werden, zudem mit geringer Verformung unter 45. Die Betrachtung beider Flächen zusammen lässt einen typischen Tasse-Teller-Bruch, also einen eindeutigen Mischbruch erkennen mit 80% Sprödbruch- und 20% Duktilbruchanteil. Probe 3: Hier wurden die höchste Schlagarbeit, die größte plastische Verformung und der insgesamt dumpfeste Klang ermittelt. Eine stetig sehnige Bruchfläche sowie starke Einschnürungen deuten auf einen reinen Duktilbruch hin. Probe 4: Beim Durchschlagen war deutlich der bisher hellste Klang aufzunehmen. Das Bruchbild ist von Beginn an leicht als körnig und stark glitzernd zu erkennen, bis auf eine sehr geringe Querkontraktion ist kaum eine plastische Verformung nachzuweisen. Im Ergebnis handelt es sich um einen Sprödbruch. Probe 5: Noch markanter als bei Probe 4 war der Klang glas-hart und eine Verformung nicht zu erkennen. Probe 5 hatte die geringste verbrauchte Schlagarbeit. Das Bruchverhalten kann als eindeutiger Sprödbruch eingestuft werden. 5.4 Bruchbilder (Digitalaufnahmen): Probe 1 (Raumtemperatur, 23 C) Seite 14 von 17

15 Fachhochschule Coburg Fachbereich Maschinenbau Gruppe 8 Kerbschlagbiegeversuch nach DIN Probe 2 (75 C) Probe 3 (150 C) Probe 4 (0 C) Probe 5 (-25 C) 6. Auswertung einer kompletten Messreihe Seite 15 von 17 WS 2001/

16 Führt man den Kerbschlagbiegeversuch mit einem Werkstoff bei einer größeren Temperaturspanne durch und untersucht das Bruchverhalten bei gleichen Temperaturen mehr als einmal, so erhält man eine umfangreiche Messreihe, die sich graphisch wie folgt darstellen lässt: In diesem Temperatur-Schlagarbeit-Diagramm sind drei markante Bereiche zu erkennen, die jeweils unterschiedliche Merkmale bezüglich des Bruchverhaltens eines Werkstoffes aufweisen. Tieflage: Sie beschreibt den Bereich der (sehr) niedrigen Temperaturen, die Schlagarbeit ist gering und es besteht kein nennenswerter Streubereich der Ergebnisse. In der Tieflage treten Trennbrüche auf. Hochlage: Bei hohen Temperaturen ist der Wert der Kerbschlagarbeit groß mit nur geringem Streubereich, es kommt zu Verformungsbrüchen. Seite 16 von 17

17 Streugebiet: Hier treten bei gleichen Temperaturen teils deutlich unterschiedliche Schlagarbeitswerte auf. Somit besteht ein großer Streubereich, der sich auch mit einer Mittelwertkurve beschreiben lässt. Im Streugebiet zeigt ein Werkstoff typisches Mischbruchverhalten. 7. Literaturverzeichnis: Domke, Werkstoffkunde und Werkstoffprüfung, Cornelsen-Girardet, 10. verbesserte Auflage, 2001 Fischer, Heinzler u.a., Tabellenbuch Metall Europa-Lehrmittel, 41. Auflage 1999 Bargel, Schulze, Werkstoffkunde Springer-Lehrbuch, 7. Auflage 2000 Hoischen, Technisches Zeichnen Cornelsen, 28. Auflage 2000 Beitz, Küttner, Dubbel Taschenbuch für den Maschinenbau Springer-Verlag, 20. Auflage Anhang Versuchsprotokoll vom 07. Dezember 2001 Seite 17 von 17