Prüfung der Schlagzähigkeit mit einem Pendelschlagwerk

Der Kerbschlagbiegeversuch dient der Bestimmung der Zähigkeit bzw. Kerbschlagzähigkeit eines Werkstoffes. Die Prüfung ist für die Produktionskontrolle + Qualitätsüberwachung z. B. bei der Herstellung von Tanks, Rohren, Stahlflaschen usw. relevant. In diesen Produkten werden in der Regel flüssige Medien und Gase gelagert und transportiert. Die Zähigkeit der Stahlwandungen muss so hoch sein, dass auch bei Schlägen oder Stößen keine Leckagen auftreten, da sonst die Gase, Öle, Säuren, Laugen etc. austreten und Personen gefährden oder die Umwelt kontaminieren können.

Beispiel: Ein Tanklastzug hat einen Unfall und kippt um. Dabei fällt der Tank auf den Pfosten einer Leitplanke. Diese Stoßbelastung darf nicht dazu führen, dass die Tankwandung durchstoßen wird und der Tank undicht wird, damit die Ladung (Benzin, Diesel, Gas) nicht austritt.

Kerbschlagversuch Kerbschlagbeigeversuch ISO 148

mit einem Pendelschlagwerk - Biegeprobe auf Widerlager aufgelegt
mit einem Pendelschlagwerk – Biegeprobe auf Widerlager aufgelegt

Beim Kerbschlagbiegeversuch wird eine Kerbschlagbiegeprobe einer Schlagprüfung unterzogen. Die genormte Probe wird auf die Widerlager eines Pendelschlagwerks gelegt. Ein Pendelhammer, der an der Achse des Pendelschlagwerks befestigt ist, wird aus einer definierten Fallhöhe fallen gelassen und verbiegt oder zerbricht die Probe. Dabei trifft die Hammerschneide (Schlagfinne) auf die Probe und verbiegt (duktile Werkstoffe) oder zerbricht diese. Die Schlagarbeit wird in Joule (Energie) gemessen und dient zur Charakterisierung des Werkstoffs. Je höher der Wert, desto zäher bzw. schlagzäher ist der Werkstoff.

Diese Prüfung ist oft eine sicherheitsrelevante Prüfung, die für Tanks und Rohrleitungen vorgeschrieben ist. Daher muss ein Pendelschlagwerk, mit dem diese vorgeschriebenen Prüfungen durchgeführt werden sollen, einer offiziellen DAkkS-Kalibrierung nach ISO 148-2 durch ein nach ISO 17025 akkreditiertes Unternehmen unterzogen werden.

Die Aufprallgeschwindigkeit des Pendelhammers bzw. der Schlagfinne ist in der Norm ISO 148 (Metall) vorgeschrieben und beträgt ca. 5,5 m/s. Diese Geschwindigkeit wird nur erreicht, wenn das Pendel eine entsprechende Länge aufweist und die Fallhöhe (Fallwinkel ca. 160 Grad) entsprechend ausgelegt ist (Beschleunigung durch Fallgeschwindigkeit / Erdbeschleunigung).

Die Geometrie der Schlagfinne ist ebenfalls genau vorgeschrieben (Radius am Auftreffpunkt) sowie ein eng begrenzter Auftreffwinkel in Bezug auf eine Verdrehung oder Neigung der Schlagfinne.

Aus dem Gewicht des Hammers und der Fallhöhe ergibt sich die potentielle (gespeicherte oder kinetische) Schlagenergie. Für verschiedene zähe metallische Werkstoffe gibt es verschiedene Pendelschlagwerke mit unterschiedlichen Schlagenergien, z. B. 50 / 150 / 300 / 450 / 600 / 750 Joule. Die Entwicklung immer besserer Werkstoffe hat dazu geführt, dass die bis zur Jahrtausendwende am häufigsten eingesetzten Pendelschlagwerke mit 300 Joule zunehmend durch Pendelschlagwerke mit einer Schlagenergie von 450 / 600 oder sogar 750 Joule ersetzt werden mussten.

Die Pendelschlagwerke ermitteln die verbrauchte Energie aus der potentiellen Schlagenergie und dem Neigungswinkel. Diese wird bei älteren Pendelschlagwerken durch einen Haupt- und einen Schleppzeiger angezeigt und muss nicht errechnet werden. Die Skala dieser analogen Anzeigen ist nichtlinear und berücksichtigt die Beschleunigung bzw. Abbremsung des Hammers durch die Erdanziehungskraft. Moderne Pendelschlagwerke besitzen anstelle einer mechanischen Anzeige mit Skala und Zeigern eine elektronische Anzeige. Ein elektronischer Drehwinkelsensor ermittelt den Neigungswinkel und berechnet die verbrauchte Energie nach folgender Formel:

Formel Kerbschlagbiegeversuch: Die Schlagenergie oder Schlagarbeit wird beim Kerbschlagbiegeversuch gemäß ISO 148 (und anderen Normen) aus der Differenz zwischen der potentiellen Energie des Pendelhammers und dem Anstiegswinkels / Steigwinkel errechnet:
W = m g(h1 – h)
W: Kerbschlagarbeit in J (Joule)
m: Masse (Gewicht) des Pendelschlagwerks in kg
g: Fallbeschleunigung Erde 9,81m/s2
h1: Fallhöhe (Auslösung des Hammers)
h: Steighöhe des Hammers (gebremst durch den Widerstand der Probe und der Erdanziehungskraft

Die Fallhöhe wird nicht direkt gemessen sondern ergibt sich aus der Pendellänge (in der Regel ca. 800mm für eine Auftreffgeschwindigkeit von ca. 5,5m/s) und:

  • dem Winkel beim Auslösen des Pendels (ca. 160 Grad)
  • dem Winkel beim Umkehrpunkt der Pendelbewegung (Steigwinkel / Anstiegswinkel)

Der Steigwinkel / Anstiegswinkel wird:

  • bei einer analogen Anzeige durch den Schleppzeiger angezeigt (Schleppzeiger wird durch Hauptzeiger mitgeschleppt und bleibt am Endpunkt stehen)
  • bei einer digitalen Auswertung durch die Erfassung des letzten Winkel eines elektronischen Drehwinkelsensors und Zählers
    ermittelt

Anstiegswinkel / Steigwinkel: Der Pendelhammer passiert den Tiefst-Punkt der Fallbewegung (bei 18:00 Uhr) und steigt an der gegenüberliegenden Seite wieder an bis das er am Anstiegswinkel / Steigwinkel stoppt und wieder rückwärts pendelt. 

Probenmaße / Probendimensionen von Kerbschlagbiegeproben gemäß ISO148

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