Anwendung des Charpy-Schlagversuchs und sein Berechnungsbeispiel

Branchen wie die Automobil- und Baubranche benötigen einen leistungsstarken Test, um die Zähigkeit eines Materials zu bestimmen. Dabei geht es nicht nur um die Biegefähigkeit, sondern auch darum, bei einem Aufprall Energie zu absorbieren, ohne zu brechen. Deshalb wird der Charpy-Test auch heute noch häufig durchgeführt. Wir möchten hier jedoch die Anwendung des Charpy-Schlagversuchs hervorheben.

Warum ist das so? Bei diesem Test wird die Zähigkeit eines Materials mithilfe eines schwingenden Pendels gemessen. Obwohl die Formel recht einfach ist, erfordert sie eine korrekte Einrichtung und Kalibrierung, um genaue Ergebnisse zu erzielen. Lassen Sie Qualitest In diesem Artikel erfahren Sie mehr.

Was ist der Charpy-Schlagversuch?

Der Charpy-Schlagversuch ist einer der gängigsten Schlagversuche und wird noch heute im Fahrzeugbau, bei kritischen Strukturen und in allen metallverarbeitenden Industriezweigen durchgeführt. Die Anwendung des Charpy-Schlagversuchs ist recht einfach, aber zuverlässig. Dies ist der Hauptgrund, warum dieser Test seit seiner Entwicklung im Jahr 1905 durch Georges Charpy immer noch relevant ist.

Ziel dieses Tests ist es, festzustellen, ob das Material nicht nur Druck, sondern auch Schlagbeanspruchung standhält. In der Automobilindustrie ist dies beispielsweise einer der Prüfpunkte, um das Sicherheitsniveau von Ersatzteilen und Fahrzeugen zu bestimmen, bevor diese getestet und auf den Markt gebracht werden.

Auch bei Brückenkonstruktionen hilft der Charpy-Schlagversuch dabei, festzustellen, ob die Konstruktion stabil genug und zuverlässig ist, sodass Ingenieure die Fähigkeit der Konstruktion einschätzen können, dem täglichen Gebrauch standzuhalten.

Warum die Charpy-Schlagprüfung wichtig ist

Die Anwendung des Charpy-Schlagversuchs beweist ihren Wert bei der Bewertung der Crashsicherheit und der strukturellen Belastbarkeit von Strukturen. Er bietet Ingenieuren eine zuverlässige Möglichkeit, die Energieaufnahmefähigkeit eines Materials zu beurteilen.

Aus diesem Grund ist es so wichtig:

• Absorption von Aufprallenergie
  Bei der Fahrzeugkonstruktion hilft der Charpy-Test dabei, zu messen, wie gut ein Material die Energie bei einem Unfall bewältigen kann, was sowohl für die strukturelle Integrität als auch für die Sicherheit der Passagiere von entscheidender Bedeutung ist.
   
• Materialauswahl unter rauen Bedingungen
  Materialien wie Edelstahl 304 und Aluminiumlegierungen 6061-T6 und 7075-T6 werden häufig mit Charpy getestet, um festzustellen, ob sie realen Bedingungen wie extremen Temperaturen und Belastungen standhalten.
   
• Festigkeitsprüfungen in Luft- und Raumfahrtqualität
  Hochleistungslegierungen für die Luft- und Raumfahrt erfordern ein ausgewogenes Verhältnis von Festigkeit und Gewicht. Charpy-Tests helfen zu bestätigen, dass Werkstoffe wie 7075-T6 beides bieten.
   
• Zähigkeitsnachweis für Strukturbauteile
  Von Eisenbahnschienen bis hin zu Brücken muss sichergestellt werden, dass das Material unter Belastung nicht plötzlich bricht. Der Charpy-Test zeigt, ob das Material der Aufgabe gewachsen ist.
   
• Instrumentierte Daten für tiefere Einblicke
  Mithilfe von Dehnungsmessstreifen und digitalen Sensoren erfasst der instrumentierte Charpy-Test detaillierte mechanische Reaktionen. Dadurch erhalten Ingenieure ein klareres Bild davon, wie sich Materialien unter Einwirkung von Stößen verformen und versagen.

Wichtige Anwendungen der Charpy-Schlagprüfung

Bild

Das Verständnis der Anwendung des Charpy-Schlagversuchs hilft bei der Überprüfung der Schlagfestigkeit einer neuen Legierung und liefert wichtige Daten für fundierte Entscheidungen. So wird der Charpy-Schlagversuch typischerweise angewendet:

1. Probenvorbereitung

Eine Standardprobe wird auf die Abmessungen 127 mm × 12.7 mm mit einer V-Kerbe (2.54 mm tief, 45°-Winkel) bearbeitet. Nicht ohne Grund soll dadurch eine Spannungskonzentration erzeugt werden, die während des Tests einen Bruch begünstigt.

2. Einbettung der Probe

Die gekerbte Probe wird horizontal zwischen den Auflagen (Ambosse) der Maschine positioniert. Dabei ist die Kerbe vom Pendel weggerichtet, um realistische Spannungsszenarien zu simulieren.

3. Pendelfreigabe

Ein kalibriertes Pendel wird aus einer festgelegten Höhe losgelassen. Es schwingt nach unten und schlägt auf die Mitte der Probe, um einen plötzlichen Aufprall zu simulieren.

4. Messung der Energie

Quelle: Zeitschrift für Ingenieurwissenschaften und Technologiewissenschaften

Nach dem Aufprall zeichnet das Gerät automatisch die von der Probe beim Bruch absorbierte Energie auf. Aus der Höhendifferenz des Pendels vor und nach dem Aufprall lässt sich die absorbierte Energie mithilfe der Energieerhaltungsformel berechnen:
 

E= m×g×(h1​−h2​) − Reibung​

Kennzahlen:

• E = absorbierte Energie (Joule)
• m = Pendelmasse (kg)
• g = 9.81 m/s² (Erdbeschleunigung)
• h1​ = Starthöhe (m)
• h2​ = Rückprallhöhe (m)
• Reibung = durch Reibung verlorene Energie (Joule)

Angenommen, der Charpy-Schlagprüfer verwendet ein Pendel mit einer Masse von 20 kg. Das Pendel wird auf eine Anfangshöhe (h₁) von 1.4 Metern angehoben und schwingt nach dem Auftreffen auf die Probe auf eine Endhöhe (h₂) von 0.9 Metern. Angenommen, der Energieverlust durch Reibung beträgt 1.8 Joule.

Wir können nun berechnen:

• Potentielle Energie vor dem Aufprall:

20 × 9.81 × 1.4 = 274.68 Joule

• Potentielle Energie nach dem Aufprall:

20 × 9.81 × 0.9 = 176.58 Joule

• Nun subtrahieren wir von der Anfangsenergie die Energie nach Aufprall und Reibungsverlust:

E = 274.68 – 176.58 – 1.8 = 96.3 Joule

Somit absorbierte die Probe während des Aufpralls 96.3 Joule Energie. Diese absorbierte Energie spiegelt die Zähigkeit des Materials wider.

Je höher die Zahl, desto mehr Energie kann das Material absorbieren, bevor es bricht. Das bedeutet, dass es sich besser für Anwendungen mit Aufprall- oder Crashbedingungen eignet.

5. Optionaler Schritt: Temperaturkontrolliertes Testen

Für anspruchsvollere Prüfungen kann der Charpy-Schlagversuch auch in Umgebungen mit kontrollierter Temperatur durchgeführt werden. Insbesondere zur Bewertung der Materialzähigkeit in kalten Klimazonen oder bei hohen Temperaturen wird dieser zusätzliche Schritt üblicherweise im Anschluss an die Hauptschritte des Charpy-Schlagversuchs durchgeführt.

Charpy-Schlagversuch im Vergleich zu anderen Materialtests

Sie haben nun die Anwendung des Charpy-Schlagversuchs kennengelernt. Als Nächstes müssen Sie verstehen, wie der Charpy-Test im Vergleich zu anderen Materialprüfungen abläuft.

Der Charpy-Schlagversuch gilt als zerstörender Test, d. h. die Materialprobe wird nach dem Aufprall dauerhaft beschädigt. Dies geschieht, weil das Material durch den Test absichtlich bis zum Bruchpunkt getrieben wird, um zu ermitteln, wie viel Energie es aufnehmen kann, bevor es bricht.

Auf der anderen Seite gibt es den Izod-Schlagversuch, der eng mit dem Charpy-Versuch verwandt ist. Beide zielen zwar auf die Messung der Materialzähigkeit ab, unterscheiden sich jedoch in Aufbau, Probenausrichtung und Anwendung. Charpy wird häufig für Metalle in Branchen wie der Automobil- oder Eisenbahnindustrie verwendet, während Izod eher für die Prüfung von Kunststoffen und leichteren Verbundwerkstoffen verwendet wird.

Vergleichen wir sie nebeneinander:

Wie US-Unternehmen die Charpy-Schlagprüfung für Compliance und Qualität nutzen

In den USA ermöglicht die Anwendung von Charpy-Schlagprüfungen den Industrien, strenge Sicherheits- und Leistungsstandards einzuhalten. Neben der Unterstützung bei der Materialauswahl trägt der Test auch zur Sicherstellung der Erfolgsquote von Projekten bei.

Hier sehen Sie, wie verschiedene US-Industrien den Charpy-Test anwenden:

1. Automotive

US-Automobilhersteller, insbesondere solche, die an crashgetesteten Komponenten wie Stoßfängern, Fahrgestellen oder Seitenwänden arbeiten, nutzen den Charpy-Test, um zu bestätigen, dass Materialien plötzlichen Kräften standhalten. Dadurch wird sichergestellt, dass die Fahrzeuge die FMVSS (Federal Motor Vehicle Safety Standards) erfüllen und die Sicherheitsstandards der Versicherungsbranche einhalten.

2. Herstellung

Allgemeine Fertigungsanlagen im ganzen Land nutzen Charpy-Tests, um die Integrität von Schweißnähten, die Leistungsfähigkeit von Verbindungen und die Festigkeit von Rohren zu beurteilen. Dies wird insbesondere in der Öl-, Gas- und Schwermaschinenindustrie häufig praktiziert. Dies gewährleistet die Einhaltung der ASME- und ANSI-Standards für industrielle Sicherheit und Zuverlässigkeit.

3. Bau

Im Bausektor hilft die Charpy-Prüfung Ingenieuren, die Haltbarkeit von Stahl, Betonstahl und Verbundwerkstoffen für Brücken, Gebäude und Infrastruktur zu bewerten. Das US-Verkehrsministerium und staatliche Behörden verlangen häufig, dass diese Prüfungen den AASHTO- oder ASTM-Standards entsprechen.

4. Verteidigung

Für militärische Ausrüstung sind Charpy-Tests unerlässlich, um die Belastbarkeit von Panzerplatten, Fahrzeugabschirmungen und ballistischen Materialien zu bestimmen. Das US-Verteidigungsministerium und seine Zulieferer nutzen diese Daten, um sicherzustellen, dass Schutzsysteme Stöße durch explosive oder ballistische Einschläge absorbieren können.

Abschließende Gedanken

In der Praxis können wir auf viele Faktoren stoßen, die bei der Anwendung des Charpy-Schlagversuchs oft übersehen werden. Beispielsweise eine unsachgemäße Maschinenkalibrierung oder eine Fehlinterpretation der Berechnungsergebnisse.

Da es sich bei den meisten Branchen, in denen dieser Test erforderlich ist, um Anwendungen mit hohem Risiko handelt, können derartige Versäumnisse schwerwiegende Konsequenzen haben. Qualitest bietet weltweit standardisierte Charpy-Schlagprüfgeräte an, von Modellen für Prüfung von Metallen sowie Kunststoffe zu unterstützenden Tools wie Notch-Projektoren.

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Referenz:

1. Zainuddin, H., et al. (2024). Untersuchung der Schlageigenschaften im instrumentierten Charpy-Test. Zeitschrift für Ingenieurwissenschaften und Technologiewissenschaften.