Kerbschlagbiegeversuch nach Charpy: Energie, Temperatur und Aussagegrenzen

Ein Stahl kann eine hohe Festigkeit besitzen und sich unter einer schlagartigen Belastung dennoch anders verhalten als erwartet. Der Kerbschlagbiegeversuch hilft, dieses Verhalten unter definierten Bedingungen zu charakterisieren. Er liefert jedoch weder unmittelbar die zulässige Last eines fertigen Halters noch eine allgemeine Garantie gegen Bruch. Der folgende Überblick bezieht sich vor allem auf metallische Charpy-Proben und erklärt die Energiebilanz mit eigenen, frei gewählten Zahlen.

Wie die Probe belastet wird

Beim Charpy-Aufbau liegt die Probe horizontal auf definierten Auflagern. Der Pendelhammer trifft sie mittig auf der Seite gegenüber der Kerbe. Die Kerbe legt eine örtlich konzentrierte Beanspruchung fest. Sie ist damit ein wesentliches Merkmal der Prüfung und kein beliebiger Bearbeitungsfehler. Ein Versuch mit einer anders geformten Kerbe untersucht nicht automatisch dieselben Bedingungen.

Das Pendel startet aus einer festgelegten Ausgangslage und besitzt beim Auftreffen eine bestimmte Energie. Während der Beanspruchung der Probe wird Energie aufgenommen; danach schwingt das Pendel weniger weit nach oben. Das Messsystem wertet den Energieunterschied unter Berücksichtigung der gerätespezifischen Einflüsse aus. Die Prüfung ist zerstörend. Sie wird mit einem dafür ausgelegten und überprüften Prüfgerät durchgeführt, nicht durch einen improvisierten Hammerschlag ersetzt.

Kerbschlagarbeit ist eine Energie

Die Kerbschlagarbeit wird in Joule angegeben. Das ist eine Energieeinheit: 1 J entspricht 1 N·m. Sie darf nicht mit einer Kraft in Newton, einer Spannung in N/mm² oder einer Härtezahl gleichgesetzt werden. Auch ein flächenbezogener Schlagzähigkeitswert ist eine andere Angabe als die reine Energie. Für Vergleiche müssen daher zuerst Kennwert, Einheit und Prüfverfahren übereinstimmen.

ISO beschreibt ISO 148-1 ausdrücklich als Verfahren zur Ermittlung der aufgenommenen Energie metallischer Proben mit V- oder U-Kerbe. Instrumentierte Schlagprüfungen werden dort abgegrenzt und ISO 14556 zugeordnet. Der vorliegende Artikel erläutert die Grundidee, ersetzt aber keine vollständige Prüfverfahrensbeschreibung oder normative Durchführung.

Eigene Lehrrechnung zur Energiedifferenz

Für ein stark vereinfachtes Modell nehmen wir eine Ausgangsenergie von 150 J und eine verbleibende Energie nach dem Durchschwingen von 112 J an. Ohne weitere Verluste wäre die Differenz 150 − 112 = 38 J. Diese Rechnung zeigt, weshalb die nach dem Schlag verbleibende Pendelenergie für das Ergebnis relevant ist. Sie beschreibt keine reale Prüfmaschine und keine gemessene Materialprobe.

Im zweiten Rechenschritt seien innerhalb dieser Differenz zusätzlich 2 J als eindeutig ermittelte, hier vereinfacht zusammengefasste Geräteverluste enthalten. Die auf die Probe entfallende Energie wäre dann 38 − 2 = 36 J. In einer echten Prüfung darf dieser Korrekturwert nicht geraten werden. Die erforderlichen Geräteprüfungen und Korrekturen richten sich nach dem angewandten Verfahren. Das Beispiel dient nur dazu, Probenenergie und fremde Energieverluste begrifflich zu trennen.

Warum die Temperatur mit auf den Prüfbericht gehört

Die Energieaufnahme eines Werkstoffs kann von der Temperatur abhängen. TÜV NORD beschreibt deshalb Prüfungen bei unterschiedlichen Temperaturen als wichtigen Teil der Werkstoffbeurteilung. Bei geeigneten Werkstoffen lässt sich aus einer Reihe solcher Versuche ein Übergangsverhalten untersuchen. Ein einzelner Wert bei Raumtemperatur beschreibt jedoch keine vollständige Kurve und belegt kein bestimmtes Verhalten bei tiefen Temperaturen.

Eine Übergangstemperatur braucht außerdem ein festgelegtes Auswertekriterium. Verschiedene Kriterien können zu unterschiedlichen Zahlen führen. NIST stellt für die Auswertung temperaturabhängiger Charpy-Daten unterschiedliche Kurvenmodelle und Unsicherheitsbetrachtungen bereit. Die Formulierung „der Übergang liegt bei dieser Temperatur“ ist daher nur mit dem verwendeten Kriterium und den zugrunde liegenden Daten vollständig. Für eine konkrete Spezifikation gilt die vereinbarte Auswertung.

Probenentnahme und Geometrie bestimmen den Vergleich

Die Probe muss dem Material eindeutig zugeordnet werden. Entnahmestelle und Orientierung können für das Ergebnis relevant sein, ebenso Lieferzustand und vorausgegangene Wärmebehandlung. Ein aus einem bestimmten Bereich entnommener Probekörper steht nicht ohne Weiteres für jeden Bereich eines großen Bauteils. Deshalb wird bereits vor der Probenfertigung geklärt, welche Aussage mit der Prüfung getroffen werden soll.

ZwickRoell nennt für die metallische Normalprobe eine Länge von 55 mm und einen Querschnitt von 10 × 10 mm; auch kleinere Probendicken sind unter den jeweiligen Vorgaben vorgesehen. Solche Untermaßproben sind bei der Bewertung als eigene Geometrie zu behandeln. Eine einfache proportionale Hochrechnung der Energie anhand des Querschnitts ist ohne passende Grundlage nicht zulässig. Ebenso müssen V- und U-Kerbe und die zugehörigen Prüfbedingungen eindeutig bezeichnet sein.

Prüfgerät und Ergebnis nachvollziehbar dokumentieren

Für die Vergleichbarkeit genügt es nicht, nur die Anzeige abzulesen. NIST betreibt ein Programm zur Überprüfung von Charpy-Prüfmaschinen mithilfe von Referenzproben. Damit wird deutlich, dass auch das Prüfgerät Teil der Messkette ist. Begriffe wie Kalibrierung, Justierung und Prüfung sollten dabei sauber unterschieden werden. Ein Prüfbericht muss erkennen lassen, welches Verfahren und welche Bedingungen dem Ergebnis zugrunde liegen.

Ein übersichtliches Mess- und Prüfprotokoll verbindet Probenkennung, Materialzustand, Entnahmeangaben, Geometrie, Kerbform, Temperatur und Einzelwerte. Hinzu kommen die für das angewandte Verfahren verlangten Geräte- und Ergebnisangaben. Werden mehrere Proben geprüft, sollten die Einzelwerte neben einer gegebenenfalls geforderten Zusammenfassung erhalten bleiben. Ein Mittelwert allein kann die Streuung oder eine auffällige Einzelprobe verdecken.

Was der Versuch nicht ersetzt

Kerbschlagarbeit, Zugfestigkeit, Härte und bruchmechanische Kennwerte beantworten verschiedene Fragen. Aus einer Energie in Joule lässt sich ohne ein dafür geeignetes und belegtes Modell kein universeller Wert der Bruchzähigkeit berechnen. NIST beschreibt für bruchmechanische Untersuchungen beispielsweise speziell vorbereitete, ermüdungsvorgerissene Charpy-artige Proben und eine eigene Auswertung. Das ist nicht einfach derselbe Versuch mit einer anderen Beschriftung.

Für die Freigabe eines Bauteils werden die Anforderungen seiner Anwendung und die dafür vorgesehenen Nachweise betrachtet. Auch eine hohe gemessene Kerbschlagarbeit entbindet nicht von der Prüfung von Geometrie, Belastung und Fertigungszustand. Der Artikel zur Erstmusterprüfung zeigt, wie einzelne Ergebnisse in eine umfassendere Freigabe eingeordnet werden. Die Zahl auf dem Prüfbericht wird so als definierter Nachweis verwendet und nicht als unbegrenztes Qualitätsversprechen.

Häufige Fragen zum Kerbschlagbiegeversuch

Sind zwei Joule-Werte direkt vergleichbar? Erst wenn Verfahren, Temperatur, Probengeometrie, Kerbe und relevanter Werkstoffzustand zusammenpassen.

Ist mehr Energie immer besser? Für eine bestimmte Anforderung kann höhere Energieaufnahme erwünscht sein. Die Eignung des Werkstoffs ergibt sich dennoch aus den gesamten Einsatzanforderungen.

Kann ein Kunststoffwert übernommen werden? Nein. Für Kunststoffe gelten andere Prüfverfahren und häufig andere Kennwertangaben. Die gemeinsame Bezeichnung Charpy macht die Ergebnisse nicht automatisch vergleichbar.