Kerbschlagbiegeversuch

Im Zugversuch wird ein Werkstoff langsam und gleichmäßig auseinandergezogen. Daraus bekommt man Festigkeitswerte wie die Streckgrenze oder die Zugfestigkeit. Diese Werte sagen aber wenig darüber aus, wie sich der Werkstoff bei einer schlagartigen Belastung verhält – also wenn die Last nicht langsam ansteigt, sondern in Sekundenbruchteilen einschlägt.

Genau hier kommt die Zähigkeit ins Spiel: das Vermögen eines Werkstoffs, vor dem Bruch Energie aufzunehmen und sich plastisch zu verformen. Festigkeit und Zähigkeit sind zwei verschiedene Dinge. Ein gehärteter Stahl kann sehr fest und gleichzeitig sehr spröde sein – er bricht beim Schlag wie Glas. Ein zäher Stahl verbiegt sich zuerst und kündigt den Bruch an.

Das Gegenteil von zäh ist spröde. Ein Sprödbruch läuft schlagartig ab, fast ohne plastische Verformung, und die Bruchfläche sieht glänzend-körnig aus. Das Tückische daran: Er kommt ohne Ankündigung. Es gibt keine sichtbare Einschnürung, kein Verbiegen, das warnen würde.

Dass das kein theoretisches Problem ist, zeigte sich an geschweißten Stahlkonstruktionen, die bei tiefen Temperaturen plötzlich versagten – Schiffe, Brücken und Behälter, die im Sommer einwandfrei trugen und im Winter spröde brachen. Der Auslöser war fast immer eine Kombination aus drei Dingen: tiefe Temperatur, eine Kerbe oder ein scharfer Übergang als Spannungsspitze und eine stoßartige Belastung. Der Kerbschlagbiegeversuch bildet genau diese drei Faktoren gezielt nach, um die Sprödbruchneigung eines Werkstoffs messbar zu machen.

Der Versuch wird auf einem Pendelschlagwerk durchgeführt. Das Grundprinzip geht auf den sogenannten Charpy-Versuch zurück und ist in der ÖNORM EN ISO 148-1 geregelt.

Das Herzstück ist ein schwerer Pendelhammer an einem langen Arm. Man hebt ihn auf eine festgelegte Ausgangshöhe und lässt ihn los. Im tiefsten Punkt der Pendelbahn trifft er auf die Probe, zerschlägt sie und schwingt auf der anderen Seite wieder nach oben. Die Höhe, die er dabei noch erreicht, ist die entscheidende Messgröße – dazu mehr im nächsten Kapitel.

Die Probe ist genormt: ein Stäbchen mit quadratischem Querschnitt von meist 10 × 10 mm und 55 mm Länge. In der Mitte sitzt eine Kerbe, die als gezielte Spannungsspitze wirkt und den Bruch an einer definierten Stelle einleitet. Üblich sind zwei Kerbformen: die V-Kerbe (spitzwinklig, schärfer) und die U-Kerbe (rundlicher Kerbgrund). Welche Kerbform verwendet wird, beeinflusst das Ergebnis – die Werte sind deshalb nicht direkt untereinander vergleichbar.

Die Probe liegt waagrecht auf zwei Auflagern, die Kerbe zeigt vom Hammer weg, also auf die Zugseite beim Durchbiegen. Der Hammer schlägt mittig auf die der Kerbe gegenüberliegende Seite.

Der Ablauf in Schritten:

1. Probe mit definierter Kerbe vorbereiten, gegebenenfalls auf Prüftemperatur bringen.
2. Pendel auf die genormte Ausgangshöhe anheben und arretieren.
3. Probe auf die Auflager legen, Kerbe korrekt ausrichten.
4. Pendel auslösen – es zerschlägt die Probe im tiefsten Punkt.
5. Steighöhe des Pendels auf der Gegenseite ablesen (über Schleppzeiger oder Skala).
6. Daraus die verbrauchte Schlagarbeit bestimmen.

Je mehr… Energie das Zerschlagen der Probe kostet, desto weniger hoch schwingt das Pendel wieder hoch. Eine zähe Probe „bremst“ das Pendel stark, eine spröde Probe kaum.

Das Pendel ist nichts anderes als ein Energiespeicher. In der Ausgangshöhe h1 hat es eine bestimmte potentielle Energie. Nach dem Durchschlag erreicht es nur noch die Resthöhe h2. Die Energie, die auf dem Weg verloren ging, wurde fast vollständig zum Zerschlagen der Probe verbraucht. Das ist die Schlagarbeit.

Sie ergibt sich direkt aus der Höhendifferenz des Pendels:

In der Praxis liest man den Wert allerdings nicht über die Höhen ab, sondern direkt an einer geeichten Skala des Pendelschlagwerks, die bereits in Joule anzeigt. Die Höhenformel zeigt, woher der Wert physikalisch kommt.

Je nach Kerbform bekommt die Schlagarbeit eine eigene Bezeichnung: KV für die V-Kerbe und KU für die U-Kerbe. Beide werden in Joule angegeben. Weil die Kerbform das Ergebnis beeinflusst, gehört die Kerbform immer zum Wert dazu – ein KV-Wert lässt sich nicht direkt mit einem KU-Wert vergleichen.

Die reine Schlagarbeit in Joule ist ein Wert für die ganze Probe. Will man einen Werkstoffkennwert haben, der unabhängig von der genauen Probengröße ist, bezieht man die Schlagarbeit auf den Probenquerschnitt unter der Kerbe. Das ergibt die Kerbschlagzähigkeit:

Bei der genormten 10 × 10-mm-Probe mit 2 mm Kerbtiefe bleibt ein Restquerschnitt von 8 mm × 10 mm = 80 mm², also 0,8 cm². Teilt man die gemessene Schlagarbeit durch diese Fläche, erhält man die auf den Querschnitt bezogene Zähigkeit.

Prüft man denselben Stahl bei verschiedenen Temperaturen, zeigt sich ein bemerkenswertes Verhalten: Bei Wärme ist die Schlagarbeit hoch, der Werkstoff bricht zäh. Sinkt die Temperatur, bleibt die Schlagarbeit zunächst hoch – und fällt dann in einem schmalen Temperaturbereich plötzlich stark ab. Bei tiefer Temperatur landet man auf einem niedrigen Niveau, der Werkstoff bricht spröde.

Diesen Verlauf nennt man die Schlagarbeit-Temperatur-Kurve. Sie hat drei Bereiche:

• die Hochlage: hohe Schlagarbeit, zäher Bruch, viel plastische Verformung
• den Steilabfall: der schmale Bereich, in dem die Zähigkeit zusammenbricht
• die Tieflage: niedrige Schlagarbeit, spröder Bruch

Die Temperatur in der Mitte des Steilabfalls ist die Übergangstemperatur. Sie ist die wichtigste Kenngröße des Versuchs: Oberhalb verhält sich der Werkstoff zäh, unterhalb spröde. Ein Stahl ist also nicht „grundsätzlich zäh“ oder „grundsätzlich spröde“ – es kommt darauf an, ob er über oder unter seiner Übergangstemperatur betrieben wird.

Warum gibt es diesen Steilabfall überhaupt – und warum nicht bei jedem Metall? Das hängt am inneren Aufbau, am Kristallgitter. Die Atome in einem Metall sind regelmäßig angeordnet, und die Art der Anordnung entscheidet darüber, wie leicht sich die Atomebenen bei Belastung gegeneinander verschieben können. Diese Verschiebung ist die Grundlage jeder plastischen Verformung – und damit der Zähigkeit.

Stähle haben bei Raumtemperatur überwiegend ein kubisch-raumzentriertes Gitter (Abkürzung krz): ein Würfel mit einem Atom in jeder Ecke und einem in der Mitte. In diesem Gittertyp wird das Verschieben der Atomebenen bei Kälte zunehmend erschwert – deshalb zeigen krz-Stähle den typischen Steilabfall und werden bei tiefen Temperaturen spröde.

Werkstoffe mit kubisch-flächenzentriertem Gitter (Abkürzung kfz) – ein Würfel mit Atomen in den Ecken und zusätzlich in den Flächenmitten – verhalten sich anders. Hier bleibt das Verschieben der Atomebenen auch bei Kälte möglich. Austenitische Edelstähle und Aluminium gehören dazu: Sie zeigen keinen ausgeprägten Steilabfall und bleiben auch bei tiefen Temperaturen zäh.

Übrigens verrät schon die Bruchfläche, in welchem Bereich man sich befindet: Ein zäher Bruch aus der Hochlage sieht matt und faserig aus, ein spröder Bruch aus der Tieflage glänzend und körnig. Im Steilabfall findet man Mischbrüche mit beiden Anteilen.

Mehrere Faktoren entscheiden darüber, ob ein Werkstoff zäh oder spröde bricht:

• Temperatur: Je kälter, desto näher rückt man an die Tieflage. Das ist der stärkste Hebel.
• Kerbschärfe: Je schärfer die Kerbe, desto höher die Spannungsspitze und desto eher der Sprödbruch.
• Belastungsgeschwindigkeit: Ein schneller Schlag begünstigt sprödes Verhalten stärker als eine langsame Last.
• Gefüge und Legierung: Feinkörniges Gefüge verschiebt die Übergangstemperatur nach unten, der Werkstoff bleibt länger zäh. Auch Legierungselemente und Wärmebehandlung wirken darauf ein.
• Alterung: Manche Stähle versproden mit der Zeit, die Übergangstemperatur wandert nach oben.

Für die Praxis ist die wichtigste Schlussfolgerung: Ein Werkstoff muss zu seiner tiefsten Einsatztemperatur passen. Genau hier schließt sich der Kreis zum Versuch, denn die geforderte Mindest-Schlagarbeit ist direkt in den Stahl-Güteklassen verschlüsselt (die systematische Stahlbezeichnung wird in einem eigenen Beitrag behandelt).