ASTM E23 Kerbstang-Schlagprüfung für metallische Werkstoffe

Der von der American Society for Testing and Materials (ASTM) entwickelte Standard „ASTM E23 Standard test methods for notched bar impact testing of metallic materials“ beschreibt den Charpy-Test (einfacher Balken) und den Izod-Test (freitragender Balken) sowie Prüfmethoden für die Kerbschlagbiegeprüfung metallischer Werkstoffe.

Diese Norm enthält Anforderungen an: Prüfkörper, Prüfverfahren, Prüfberichte, Prüfmaschinen, Validierung von Charpy-Schlagprüfmaschinen, optionale Prüfkörperkonfigurationen, Bestimmung der Prüfkörperausrichtung und Bestimmung des Scherbruchbildes. Sie enthält außerdem Informationen zur Bedeutung der Kerbschlagbiegeprüfung und zu Methoden zur Messung des Schlagmittelpunkts. Diese Prüfmethoden berücksichtigen nicht die Probleme der Schlagbiegeprüfung bei Temperaturen unter -196 °C.

Für die Zwecke dieser Norm gelten die folgenden Begriffe und Definitionen:

• Die Fallhöhe ist der Mittelpunkt der vertikalen Aufpralldistanz zwischen der frei hängenden Position und der Verriegelungsposition.
• Die absorbierte Energie ist die Arbeit, die zum Zerbrechen einer Probe in einem einzigen Pendelschwung aufgewendet wird, gemessen durch ein kompensiertes Anzeigegerät.
• Bei der direkten Überprüfung wird sichergestellt, dass alle Teile, die die gemessene absorbierte Energie beeinflussen könnten, innerhalb der angegebenen Maßtoleranzen liegen.
• Die frei hängende Position ist die Position des Pendels, nachdem es aufgehört hat zu schwingen, sodass die potenzielle und kinetische Energie Null sind.
• Der freie Ausschlag ist der kontinuierliche (ohne Prüfling) Pendelausschlag von der Ratschenposition, wie er vom Anzeigegerät aufgezeichnet wird.
• Bei der indirekten Verifizierung wird sichergestellt, dass die durchschnittlich absorbierte Energie aus der Prüfung einer Reihe von Verifizierungsproben innerhalb einer festgelegten Toleranz der zertifizierten absorbierten Energie entspricht.
• Die Verriegelungsposition ist die Position des Pendels im Auslösemechanismus, bevor es zur Durchführung eines Tests losgelassen wird.
• Die laterale Ausdehnung ist die maximale Dickenzunahme der Probe (ausgedrückt in mm), die sich aus der Schlagprüfung ergibt. Die laterale Ausdehnung wird als Maß für die Duktilität verwendet.
• Die Pitchkapazität ist die maximal verfügbare Energie für eine gegebene Pendelstellung. Bei Maschinen mit einer Pitch entspricht dies der Maschinenkapazität.
• Das Scherbruchbild ist die Menge der Bruchoberfläche in der Probe, die im Schermodus (stabil) versagt hat (ausgedrückt als Prozentsatz).

Die wesentlichen Merkmale der Aufprallprüfung sind: eine geeignete Probe (es werden mehrere unterschiedliche Probentypen anerkannt), eine Reihe von Ambossen und Probenträgern, auf denen die Testprobe platziert wird, um den Aufprall der bewegten Masse aufzunehmen, eine bewegte Masse mit ausreichend Energie, um die in ihrem Weg platzierte Probe zu zerbrechen, und ein Anzeigegerät zum Messen der von der gebrochenen Probe absorbierten Energie.

Diese Schlagprüfverfahren sind besonders relevant für das Verhalten von Metallen bei einmaliger Krafteinwirkung, die mehrachsige Spannungen infolge einer Kerbe induziert, verbunden mit hohen Belastungsraten und in manchen Fällen hohen oder niedrigen Temperaturen. Bei einigen Materialien und Temperaturen haben sich die Ergebnisse von Schlagprüfungen an gekerbten Proben in Korrelation mit der Betriebserfahrung als zuverlässig für die Vorhersage der Wahrscheinlichkeit eines Sprödbruchs erwiesen.

Die Probenentnahme erfolgt gemäß der jeweiligen Spezifikation. Die in der Norm dargestellten Proben werden am häufigsten verwendet und sind im Allgemeinen zufriedenstellend. Sie eignen sich insbesondere für Eisenmetalle, ausgenommen Gusseisen.

Charpy-Proben werden als „V“-Kerbe und „U“-Kerbe bezeichnet. Eine Probe mit Schlüssellochkerbe ähnelt einer „U“-Kerbe, mit der Ausnahme, dass die Kerbenbreite 1,6 mm oder weniger beträgt. In den Abbildungen sind Proben dargestellt, die sich im Allgemeinen für pulvermetallurgische Werkstoffe eignen. Proben für die Schlagprüfung in der Pulvermetallurgie sollten gemäß ASTM B925 hergestellt werden. Die Ergebnisse der Schlagprüfung für diese Werkstoffe werden von der Probenausrichtung beeinflusst. Daher sollte die Probe, sofern nicht anders angegeben, so in der Maschine positioniert werden, dass das Pendel auf eine Oberfläche parallel zur Kompressionsrichtung trifft. Die Ergebnisse der Schlagprüfung für pulvermetallurgische Werkstoffe werden als die ohne Kerbe absorbierte Energie angegeben.

Der Kerbschlagbiegeversuch ist ein Verfahren, mit dem gemessen wird, wie viel Energie ein Material bei plötzlichen Schlägen absorbieren kann, bevor es bricht. Er wird häufig verwendet, um die Zähigkeit von Metallen zu bestimmen, insbesondere unter Schlag- oder Stoßbelastung. Dieser Test ist besonders wichtig, um das Verhalten von Materialien unter hohen Belastungen wie Kollisionen oder Explosionen zu beurteilen. Bei diesem Test wird mit einem schwingenden Hammer oder Pendel auf einen gekerbten Metallstab (Probe) geschlagen. Eine Kerbe ist eine vorgestanzte Rille im Stab, die eine Schwachstelle erzeugt, an der ein Bruch am wahrscheinlichsten auftritt. Der Test misst die Energie, die das Material während des Bruchs absorbiert. Die Hauptziele des Tests sind:

• Um zu beurteilen, wie spröde oder duktil ein Material ist.
• Zur Bestimmung der Leistung eines Materials unter dynamischen oder plötzlichen Belastungsbedingungen (z. B. Kollisionen, Stürze, Explosionen).
• Ermittlung der Übergangstemperatur von Duktilität zu Sprödigkeit bei Metallen, insbesondere Stählen.

Bei diesen Tests werden üblicherweise die folgenden zwei Methoden verwendet:

• Kerbschlagbiegeversuch nach Charpy: Die Probe wird horizontal gelagert und der Hammer schlägt auf die gegenüberliegende Seite der Kerbe.
• Izod-Schlagprüfung: Die Probe wird vertikal zusammengedrückt und der Hammer schlägt auf die gleiche Seite der Kerbe.

Diese Tests werden aus folgenden Gründen als wichtig erachtet:

• Es gewährleistet die Materialsicherheit in kritischen Strukturen (Brücken, Schiffe, Pipelines).
• Hilft, katastrophale Ausfälle bei Stößen oder niedrigen Temperaturen zu verhindern.
• Hilft bei der Materialauswahl und Qualitätskontrolle.

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