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Schlagversuch [2]

[676] Schlagversuch. Unter den Schlagversuchen ist in den letzten Jahren der Kerbschlagprobe (s. Bd. 7, S. 702) besondere Aufmerksamkeit zugewendet, um ein Verfahren zur Bestimmung der Brüchigkeit der Metalle auszubilden [1], [2].

Bevorzugt wird hierbei die Biegeprobe, bei der das Versuchsstück an beiden Enden unterstützt ist und in der Mitte, der Kerbe gegenüber, von dem Schlagkörper getroffen wird. Diesem Zwecke dienen außer den Bd. 7, S. 702, genannten Apparaten das Fallwerk von Amsler [3] mit an Führungen senkrecht fallendem Gewicht, dem Bär, unter selbsttätiger Aufzeichnung der Fallgeschwindigkeiten unmittelbar vor und nach dem Bruch der Probe. Hierzu ist an dem Bären ein Schreibstift angebracht, der seinen Weg auf einer Schreibtrommel mit senkrechter Achse verzeichnet, die in der Minute 1400 Umdrehungen macht. Die Neigung des verzeichneten Linienzuges zur Wagerechten entspricht somit der Fallgeschwindigkeit. Ist β der Neigungswinkel vor und β' derjenige nach dem Bruch der Probe, so berechnet sich die zum Brechen der Probe verbrauchte Schlagarbeit

wenn G = dem Bärgewicht und h = Fallhöhe bis zum Auftreffen auf die Probe ist. Mit einer ähnlichen elektrisch betätigten Schreibvorrichtung ist das Fallwerk der Eisenbahngesellschaft Paris–Lyon–Méditerranée ausgestattet [4]. Zur Schlagbiegeprobe mit einseitig bis zur Kerbe fest eingespanntem Versuchsstück dient außer den früher genannten Apparaten der Pendelhammer von Izod [5], [6]. Neuere Einrichtungen für Schlag-Zug-Versuche haben angegeben: Stanton und Kairston [6], Hurry und Sankey [7], Blount und Kirkaldy [8] und Davidenkof [9]. Das Fallwerk von Gagarin dient zur selbsttätigen Aufzeichnung der Beziehung zwischen Druckkraft und Formänderung des Materials während des Schlages [10].[676]

1. Einfluß der Kerbform. Als Maß für die Brüchigkeit, »Kerbzähigkeit« genannt, dient die spezifische Schlagarbeit, d.i. der Quotient aus der für den Bruch der Probe verbrauchten Arbeit A und dem Querschnitt f des Probestabes an der Kerbstelle. Diese Berechnungsweise ist wissenschaftlich nicht begründet, schon weil der Querschnitt nicht gleichmäßig beansprucht ist und die Schlagarbeit nicht von dem Querschnitt, sondern von dem Volumen aufgenommen wird, und zwar teils durch elastische Formänderungen, teils durch bleibende, teils durch Erzeugung des Bruches. Um nachzuweisen, über welchen Stabteil die bleibende Formänderung sich erstreckt, untersuchte Schüle auf dem Fallwerk von Amsler 15 mm dicke Stäbe, die bei 20 mm voller Breite mit verschieden tiefen Kerben versehen waren. Die Kerben waren im Grunde teils scharf bei 45° Kerbwinkel, teils nach 2 mm Halbmesser abgerundet. Die Breitseiten der Stäbe waren poliert, und an Hand der hier beim Versuch entstandenen Fließfiguren wurden die Volumina V ermittelt, die an den gebrochenen Proben bis über die Streckgrenze beansprucht waren. Berechnet sind dann die spezifischen Schlagarbeiten a = Gesamtschlagarbeit A: Querschnitt an der Kerbstelle und a₁ = A/V. Bei beiden Kerbformen nahmen V und a mit wachsender Kerbtiefe erheblich ab, während a₁ nahezu konstant blieb. Der Einfluß der Kerbtiefe ist also bei a₁ ausgeschaltet. Die Bestimmung von a₁ gestattet somit, den Einfluß der Kerbform auf die Kerbzähigkeit des Materials festzustellen. Bei demselben Flußeisen betrug a₁ im Mittel für scharfe Kerben 2,17 und für abgerundete 7,78 kg/cbcm, das Verhältnis beider 1 : 3,6 [3]. Versuche der Eisenbahngesellschaft Paris-Lyon-Méditerranée [4] lieferten bei abgerundeter Kerbe um 22% und 47% größere Schlagarbeiten a als bei scharfer Kerbe; der Unterschied trat bei Material mit hoher Zugfestigkeit und kleiner Kerbzähigkeit mehr hervor als bei weicherem Material. Frémont empfiehlt als Kerbform den Sägenschnitt, da er sich am gleichmäßigsten herstellen lasse und selbst wesentliche Unterschiede bei ihm auf das Ergebnis ohne Einfluß blieben. Ferner hält er es bei Blechen für richtiger, die Kerbe von der Blechoberfläche aus einzuschneiden als auf der einen Schnittfläche [11].

2. Einfluß der Abmessungen. Harbord [12] fand, daß sowohl Vergleichsversuche nach demselben Verfahren als ganz besonders die verschiedenen Verfahren bei demselben Material weit voneinander abweichende Ergebnisse lieferten. Versuche von Révillon [13] auf dem Guillery-Schlagwerk ergaben, daß α) die Gesamtlänge der Stäbe ohne Einfluß auf das Ergebnis war, β) die Gesamtschlagarbeit bei sonst gleichen Abmessungen mit abnehmender Stützweite wuchs – zu demselben Ergebnis gelangte Schmid [14] –, γ) geometrisch ähnliche Proben bei gleicher Stützweite verschiedene Werte für die Kerbzähigkeit a = A/F lieferten, daß man aber δ) zu gleichen Werten von a gelangt, wenn bei geometrisch ähnlichen Proben auch die Stützweiten ähnlich sind.

Im Gegensatz hierzu fand Charpy [15], daß das Gesetz der Aehnlichkeit nicht besteht. Bei seinen Versuchen mit ähnlichen Proben lieferten die kleineren die geringere Kerbzähigkeit, und der Unterschied scheint um so größer zu sein, je zäher das Material ist. Nach seiner Ansicht werden ähnliche Formänderungen mit Arbeitsleistungen erzielt, die sich zueinander verhalten wie die dritten Potenzen der homologen Abmessungen, und vergleichbare Ergebnisse mit ähnlichen Stäben nur erhalten, wenn die spezifische Arbeit nicht mit dem Querschnitt, sondern mit dem Volumen berechnet wird (s. oben Schüle [3]). Derihon empfiehlt kleine Proben, weil große Proben örtliche Fehlstellen, die den Ausgang von Brüchen im Betriebe bilden, bei der großen Masse nicht zur Geltung kommen ließen [16].

3. Einfluß der Versuchsausführung. Um den Bruch sicher mit einem Schlage zu erzielen, wird die Schlagarbeit, also die Fallhöhe H₁ beim Versuch größer gewählt als erforderlich ist, die überschüssige Arbeit ermittelt und von der angewendeten Arbeit in Abzug gebracht. Die so berechnete verbrauchte Arbeit A ist bei Schlagbiegeproben größer gefunden, als wenn der Versuch mit der gerade erforderlichen Fallhöhe H ausgeführt wird. Der Unterschied zwischen der berechneten und wirklich erforderlichen Arbeit A, d.h. der Versuchsfehler wächst mit zunehmendem H, ist aber nur gering, solange H₁ < 2H ist [4]. Versuche mit Bären von verschiedenem Gewicht und entsprechend verschiedenen Fallhöhen, so daß die Gesamtarbeit stets 40 m/kg betrug, ergaben um so größere Brucharbeit, je leichter der Bär oder je größer die Fallhöhe war [4]. Fehlerquellen der Schlagbiegeprobe mit an den beiden Enden unterstützten Stäben sind, daß der Stab an der Auftreffstelle durch Einschneiden der Hammerfinne verletzt wird und die beiden Schenkel des Stabes bei großer Durchbiegung vor dem Bruch sich an die Basisecken der Schneide anlegen, sofern der Bär zu breit ist. Der Stab hebt sich dann von der Schneide ab, so daß in dem Bruchquerschnitt Zugspannungen entstehen [17]. Nach Breuil entspricht der Schlag-Zug-Versuch mit eingekerbten Proben der praktischen Inanspruchnahme am besten, weil das gesamte Material im Kerbquerschnitt an der Stoßwirkung teilnimmt [18], [19].

4. Vergleich mit der statischen Probe. Iude [20] und Stanton [21] geben auf Grund von Versuchen mit Stäben aus im Betriebe gebrochenen Kurbelwellen Beispiele dafür, daß Material, welches nach dem Ergebnis von statischen Zugversuchen nicht zu beanstanden war, sich bei der Kerbschlagbiegeprobe durch geringe Schlagarbeit als brüchig erwies. Ueber vergleichende Erprobung derselben Stäbe mit verschiedenem Kohlenstoffgehalt durch die statische und Schlag-Zugprobe sowie durch Dauerversuche berichten Blounet, Kirkaldy und Sankey [8]. Leon und Ludwik fanden, daß bei der statischen Biegeprobe die Durchbiegung durch die Kerbform mehr beeinflußt ist als durch die Kerbtiefe, daß bei gleicher Kerbtiefe runde Kerben größere Durchbiegungen liefern als scharfe, daß der Bruch bei großer Kerbtiefe allmählicher verläuft als bei geringer Kerbtiefe, daß der Einfluß der Kerbform auf die Schlagarbeit und Biegungsarbeit bei verschiedenen Materialien oft recht verschieden ist und daß die statische und dynamische Brucharbeit in keiner einheitlichen Beziehung zueinander stehen. Selbst bei dem gleichen Material oder gleicher Kerbform sei Proportionalität zwischen beiden Arbeitsgrößen[677] auch nicht annähernd vorhanden, und deshalb könne auch keine einheitliche Beziehung zwischen der statischen Zugprobe und der Kerbschlagprobe bestehen. Das Verhältnis zwischen der statischen und dynamischen Arbeit schwanke je nach Material und Kerbform zwischen 0,6 und 53, [22]. Welikhoff fand ebenfalls, daß die Ergebnisse der Kerbschlag-Biege-Probe zu denen der statischen Zugprobe in keiner bestimmten Beziehung stehen, daß aber die Kerbschlag-Zug-Probe für die Dehnung, Querschnittsverminderung und Bruchfestigkeit Werte liefert, die mit denen der statischen Zugprobe übereinstimmen. Die Zugbelastung P beim Schlagzugversuch berechnet er aus der Gleichung P = A/ν λ, wenn A die Schlagarbeit, λ die Dehnung zwischen den Stabköpfen und ν den beim statischen Zugversuch ermittelten Völligkeitsgrad der Schaulinie = Zug-Dehnungs-Linie bedeuten [23].

5. Einfluß der Wärme. Nach Versuchen von Guillet und Révillon auf dem Schlagwerk von Guillery wächst die Schlagarbeit mit der Temperatur t bis t = 150 bis 200° C. je nach dem Kohlenstoffgehalt des Materials; bei höheren Temperaturen nimmt die Schlagarbeit ab und erreicht für alle Stähle bei 475° C, und nicht wie die Zugfestigkeit bei Blauhitze, ihren geringsten Wert. Der Abfall ist um so größer, je weicher der Stahl ist und besonders groß bei Nickelstählen mit polyedrischem und perlitischem Gefüge; Nickelstahl mit martensitischem Gefüge zeigt dagegen mit der Temperatur zunehmenden Widerstand gegen Schlag. Wegen Umwandlung des Gefüges beim Erhitzen ist das Ergebnis daher von der Glühdauer abhängig. Bei Nickel-Chrom-Stahl ist die Schlagarbeit durch die Temperatur nur wenig beeinflußt [24].

6. Einfluß der Vorbehandlung des Materials nach Versuchen von Heyn und Bauer: Durch ¹/₂ stündiges Glühen bei 900 bis 1200° C. ging die Kerbzähigkeit a = A/f mit wachsender Glühhitze zurück, wenn die Stäbe nach dem Glühen von f = 10 × 12 mm auf f = 8 × 10 mm bearbeitet wurden; erfolgte die Bearbeitung auf f = 8 × 10 mm vor dem Glühen und nur das Kerben nachher, so wuchs a mit der Glühhitze. Die Ursache liegt in der mit wachsender Glühhitze von der Oberfläche aus allmählich fortschreitenden Entkohlung. Es empfiehlt sich daher, die Proben erst nach dem Glühen zu bearbeiten, um den Einfluß des Entkohlens auszuschalten. Schnelles Abkühlen nach dem Glühen an der Luft lieferte um 25 bis 30% größere Werte für die Kerbzähigkeit als langsames Erkalten im Ofen. Der Unterschied nimmt mit wachsendem Querschnitt ab, weil der größere Querschnitt langsameres Abkühlen an der Luft bewirkt [25].

Literatur: [1] Charpy, Offizieller Bericht über die Erprobung der Metalle durch Schlag, Mitteil. d. Intern. Verbandes für die Materialprüfung der Technik, Bd. I, 1909, Nr. 7, III 1. – [2] Heyn, Die Kerbwirkung und ihre Bedeutung für den Konstrukteur, Zeitschr. d. Ver. deutsch. Ing. 1914, S. 383. – [3] Schule und Brunner, Ueber Schlagbiegeproben an eingekerbten Stäben, Mitteil d. Intern. Verbandes für die Materialprüfung der Technik, Bd. I, 1909, Nr. 6, III 2. – [4] Spezifische Schlagarbeit, ebend., Bd. II, 1912, Nr. 9, IV 5. – [5] Engineering 1903 vom 25. September. – [6] The resistance of materials to impact, ebend. 1908, Bd. II, S. 731. – [7] Impact testing on notched bars, ebend. 1908, Bd. II, S. 716. – [8] Comparison of the tensile, impact-tensile and repeated-bending methods of testing steel, ebend. 1910, Bd. I, S. 727. – [9] Studie über die Theorie eines Apparates für Schlagzerreißproben und über die Versuchsfehler bei Verwendung dieses Apparates, Mitteil. d. Intern. Verbandes für die Materialprüfung der Technik, Bd. 2, 1912, Nr. 10, IV 7. – [10] Gagarin, Automatische Registrierung der Beziehung zwischen Druckkraft und Deformation der Materialien während des Schlages, ebend., Bd. II, 1912, Nr. 9, IV 8. – [11] Frémont, Kerbschlagprobe mit Metallen, ebend., Bd. II, 1912, Nr. 9, IV 2. – [12] Harbord, Different methods of impact testing on notched bars, Engineering 1908, Bd. II, S. 736 u. 768. – [13] Révillon, Die Definition der spezifischen Schlagarbeit bei Schlagversuchen, Mitteil. d. Intern. Verbandes für die Materialprüfung der Technik, Bd. I, 1909, Nr. 7, III 3. – [14] Schmid, Ueber den Einfluß der Stabform und der Behandlung des Metalls auf die Resultate bei der Kerbschlagbiegeprobe, ebend., Bd. II, 1912, Nr. 8, IV 6. – [15] Charpy, Bericht über die Frage der Schlagproben und die Arbeiten der Kommission 26, ebend., Bd. II, 1912, Nr. 9, IV 1. – [16] Derihon, Einige Beobachtungen über die Brüchigkeitsprobe, ebend., Bd. II, 1912, Nr. 9, IV 3. – [17] Geßner, Kerbschlagproben mit zähen Stahlsorten, ebend., Bd. II, 1912, Nr. 9, IV 4. – [18] Engineering 1910, Bd. II, S. 727. – [19] Revue de Mécanique 1908, S. 537. – [20] Iude, The microstructure and mechanical properties of steel, Engineering 1908, Bd. II, S. 772. – [21] Stanton, Resistance of materials to impact, ebend. 1908, Bd. II, S. 714. – [22] Leon und Ludwik, Vergleichende statische und dynamische Kerbbiegeproben, Mitteil. d. Intern. Verbandes für die Materialprüfung der Technik, Bd. I, 1909, Nr. 10, III 7. – [23] Welikhoff, Bericht über in der Längsrichtung normaler zylindrischer Stäbe durchgeführte Schlagproben, ebend., Bd. I, 1909, Nr. 10, III 8. – [24] Guillet und Révillon, Schlagversuche bei verschiedenen Temperaturen, ebend., Bd. I, 1909, Nr. 7, III 4. – [25] Heyn und Bauer, Einiges über Kerbschlagversuche und über das Ausglühen von Stahlformguß, »Stahl u. Eisen« 1914, S. 276.

Rudeloff.