Kerbschlagzähigkeit von Stahl und Charpy-Prüfung

Was die Kerbschlagzähigkeit von Stahl bedeutet – und was die Charpy-Energie nicht bedeutet

Kerbschlagzähigkeit im Vergleich zu Festigkeit, Duktilität und Bruchzähigkeit

Die Kerbschlagzähigkeit ist der Widerstand eines Werkstoffs gegen Bruch, wenn eine Last schnell aufgebracht wird, häufig über eine Kerbe, die die Spannung konzentriert. Sie ist nicht dieselbe Werkstoffeigenschaft wie Festigkeit, Zugduktilität oder Bruchzähigkeit, obwohl alle diese Eigenschaften das Ergebnis beeinflussen können.

Die Streckgrenze beschreibt die Spannung, bei der während eines Zugversuchs eine plastische Verformung beginnt. Die Zugfestigkeit ist die maximale technische Spannung, die in diesem Versuch erreicht wird. Keiner dieser Werte gibt an, wie sich ein Stahl mit einem scharfen Riss bei einer schnellen Belastung verhalten wird. Ein hochfester Stahl kann einen geringen Widerstand gegen Spaltbruch aufweisen, insbesondere bei niedriger Temperatur, während ein Stahl mit geringerer Festigkeit eine beträchtliche Schlagenergie aufnehmen kann.

Die Duktilität beschreibt die plastische Verformung vor dem Bruch, üblicherweise anhand der Dehnung oder der Querschnittsverminderung in einer Zugprobe. Die Kerbschlagzähigkeit umfasst einen Geschwindigkeits- und einen Kerbeffekt, die durch die gewöhnliche Zugduktilität nicht abgebildet werden. Eine gekerbte Charpy-Probe bietet nur geringe Möglichkeit, die Spannung durch gleichmäßige Verformung umzuverteilen. Die Kerbe macht daher die lokale Spannungseinschnürung und die Rissinitiierung zu zentralen Aspekten des Versuchs.

Die aufgenommene Charpy-Energie ist kein KIC-Wert und keine vollständige Messung der Bruchzähigkeit. Strong evidence

BruchzähigkeitBruchzähigkeit Eine Risswiderstandseigenschaft, die unter festgelegten Bedingungen hinsichtlich Probekörpergeometrie, Belastung, Dicke, Riss und Gültigkeit gemessen wird.

Die Bruchzähigkeit ist eine andere Klasse von Werkstoffeigenschaften. Werte wie $K_{\mathrm{IC}}$, $J_{\mathrm{IC}}$ oder die Rissspitzenöffnung (CTOD) beschreiben den Widerstand eines bereits vorhandenen Risses gegen Rissausbreitung unter festgelegten Bedingungen hinsichtlich Probe, Dicke, Belastung und Gültigkeit. $K_{\mathrm{IC}}$ ist beispielsweise ein Bruchzähigkeitswert unter ebener Dehnung, der unter Bedingungen ermittelt wird, die darauf abzielen, Einflüsse der Probengröße und der Plastizität zu unterdrücken. Eine Charpy-V-Kerbe ist scharf genug, um die Bruchinitiierung zu begünstigen, aber sie ist keine Ermüdungsvorgerissene Bruchzähigkeitsprobe, und ihre absorbierte Energie ist kein $K_{\mathrm{IC}}$-Wert.

Das Rissarrestverhalten muss ebenfalls getrennt betrachtet werden. Ein Werkstoff kann der Initiierung eines Risses widerstehen, aber einen anderen Widerstand gegen einen sich ausbreitenden Riss aufweisen. Bei Rohrleitungsstählen untersucht der Fallgewichtszerreißversuch das Rissarrestverhalten, indem er die Anteile von duktilem Scherbruch und Spaltbruch auf Bruchflächen über einen Bereich von Schlagtemperaturen bestimmt. Dieses Verfahren ist nicht mit der Charpy-Prüfung austauschbar.

Warum die absorbierte Energie ein indirekter Werkstoffindikator ist

Bei einer konventionellen Charpy-Prüfung schlägt ein Pendel auf eine gekerbte, einfach gelagerte Probe. Die Differenz zwischen der Anfangs- und der Endenergie des Pendels gibt die von der Probe aufgenommene Arbeit an sowie in der Praxis bestimmte zugehörige Verluste, die durch das Prüfverfahren berücksichtigt werden. Das Ergebnis wird als absorbierte Schlagenergie, gewöhnlich in Joule, angegeben. NIST beschrieb die Charpy-Prüfung im Jahr 2024 als eine Prüfung mit hoher Belastungsgeschwindigkeit, bei der die während des Bruchs absorbierte Energie gemessen wird und die ein indirektes Maß für die Kerbschlagzähigkeit liefert.

[1][1] ISO 148-1:2016 Metallic materials — Charpy pendulum impact test — Part 1: Test method. International Organization for Standardization. ISO standard, 2016.

„Indirekt“ ist das entscheidende Wort. Die gemessene Energie setzt sich aus mehreren Vorgängen zusammen: plastische Verformung in der Nähe der Kerbe, Rissinitiierung, stabiles oder instabiles Risswachstum, Reibungs- und Maschineneffekte sowie der abschließende Bruchvorgang. Sie ist keine einzelne Werkstoffkonstante, die unverändert auf jede Bauteilgeometrie oder Belastungsgeschwindigkeit übertragen werden kann. ASTM E23 behandelt Charpy-Biegeversuche mit einfachem Balken sowie Izod-Biegeversuche mit Kragträger, einschließlich Anforderungen an die Proben, Verfahren, Maschinenüberprüfung, Berichterstattung und Bestimmung des Erscheinungsbilds des Scherbruchs. ISO 148-1:2016 legt Pendelschlagprüfungen mit Charpy-V-Kerbe und Charpy-U-Kerbe für metallische Werkstoffe fest. Die Kerbenart ist von Bedeutung; Ergebnisse mit V-Kerbe und U-Kerbe sollten nicht ohne eine festgelegte Grundlage als gleichwertig behandelt werden.

Das Brucherscheinungsbild liefert Informationen, die die Energiezahl allein nicht geben kann. Duktiles Reißen erfordert im Allgemeinen eine erhebliche plastische Verformung und absorbiert mehr Energie. Ein durch Spaltbruch dominierter Bruch absorbiert gewöhnlich weniger Energie. Der prozentuale Anteil des Scherbruchs, die seitliche Aufweitung und die Position eines Ergebnisses auf einer Duktil-Spröd-Übergangskurve können daher die technische Interpretation derselben nominalen Energie verändern.

Eine instrumentierte Prüfung kann zusätzliche Informationen über den Kraft-Zeit- oder Kraft-Weg-Verlauf liefern. ISO 14556:2023 legt die instrumentierte Charpy-V-Kerb-Prüfung und die zur Messung und Aufzeichnung eines zusätzlichen Bruchverhaltens eingesetzten Geräte fest; ISO 148-1:2016 umfasst dieses instrumentierte Verfahren nicht. Auch der Zustand der Prüfmaschine ist von Bedeutung. ASTM E23 und ISO 148-2 enthalten Anforderungen an die Überprüfung, und das Charpy Machine Verification Program von NIST verwendet zertifizierte Proben für regelmäßige Maschinenprüfungen.

Die Gefahr, einen einzelnen Charpy-Wert als universelle Eigenschaft zu behandeln

Eine Aussage wie „dieser Stahl hat eine Charpy-Kerbschlagzähigkeit von 80 J“ ist unvollständig. Die Temperatur kann fehlen. Ebenso können Kerbengeometrie, Probenorientierung, Blechdicke, Wärmebehandlungszustand, Entnahmestelle, Prüfrichtung, Anzahl der Proben, zugrunde liegende Norm und Brucherscheinungsbild fehlen. Jede dieser Auslassungen kann die Bedeutung des Ergebnisses verändern.

Ferritische Stähle zeigen bei sinkender Temperatur häufig einen Duktil-Spröd-Übergang. Ein Ergebnis bei Raumtemperatur kann daher nur wenig Sicherheit über das Verhalten bei einer niedrigeren Betriebstemperatur geben. Selbst innerhalb des Übergangsbereichs können kleine Temperaturänderungen große Verschiebungen bei Energie und Bruchart bewirken. Energie im oberen Plateau, Energie im Übergangsbereich und das Verhalten im unteren Plateau beruhen auf unterschiedlichen Bruchmechanismen. Daher sind separate Korrelationen erforderlich, wenn Charpy-Daten zur Schätzung eines unteren Grenzwerts der Bruchzähigkeit verwendet werden. Solche Korrelationen können eine technische Vorauswahl für definierte Zustände ferritischer Stähle unterstützen; sie machen die absorbierte Energie jedoch nicht zur Bruchzähigkeit unter ebener Dehnung.

Ein Charpy-Ergebnis kann nicht unabhängig von seinem Probenahmeplan und der Orientierung des Probekörpers interpretiert werden. Strong evidence

[2][2] ASTM A673/A673M: Standard Specification for Sampling Procedure for Impact Testing of Structural Steel. ASTM International. ASTM International standard, 2025.

Die Probenorientierung ist eine weitere entscheidende Variable. Eine längs zur Walzrichtung entnommene Charpy-Probe erfasst den Stahl anders als eine quer zur Walzrichtung oder in Dickenrichtung entnommene Probe, da Walzrichtung, Einschlüsse, Bänderung und Gefügestruktur das Risswachstum beeinflussen. ASTM A673/A673M legt Verfahren für die Probenentnahme zur Prüfung von längs entnommenen Charpy-V-Kerb-Proben aus Baustahl fest und unterscheidet zwischen Prüfhäufigkeiten für die Schmelzenprüfung und für die Stückprüfung. Die Probenentnahme ist daher Bestandteil des Ergebnisses und kein nach der Prüfung hinzugefügtes Verwaltungsdetail.

Die Bewertung von Charpy-Proben mit Seitenkerben durch NIST aus dem Jahr 2011 ergab, dass Seitenkerben bei Energien im oberen Plateau die akkumulierte plastische Verformung verringern und die Spaltbildung fördern; die Spaltbildungsintensität ist in der Nähe der Duktil-Spröd-Übergangstemperatur am größten. Diese Erkenntnis verdeutlicht, warum die Probengeometrie sowohl die gemessene Energie als auch die Bruchfläche verändern kann.

Ein Charpy-Ergebnis ist nützlich, wenn es als definierte Prüfbeobachtung angegeben wird: Werkstoffzustand, Norm, Kerbe, Orientierung, Temperatur, Probenentnahmeplan, Energie und Brucherscheinungsbild müssen gemeinsam betrachtet werden. Ohne diesen Kontext ist eine einzelne Zahl keine universelle Eigenschaft des Stahls und kann für sich allein keine Sicherheit gegen einen Bruch im Betrieb nachweisen.

Der Charpy-Pendelversuch: Probekörper, Kerbe und Bruchereignis

Standardisierte Charpy-Probekörper mit V-Kerbe und U-Kerbe

Bei einem Charpy-Versuch wird ein kleiner, rechteckiger Stab mit einer spanend hergestellten Kerbe in einer Seitenfläche verwendet. Der Probekörper wird horizontal über zwei Auflagern angeordnet und anschließend auf der der Kerbe gegenüberliegenden Seite von einem Pendel getroffen. Diese Anordnung erzwingt, dass der Riss an einer kontrollierten Stelle entsteht und sich durch den verbleibenden Restquerschnitt ausbreitet. Das Ergebnis ist daher nicht einfach eine Eigenschaft „des Stahls“, sondern eine Reaktion eines bestimmten Probekörpers mit einer bestimmten Kerbe, Orientierung, Temperatur und einem bestimmten Werkstoffzustand.

ISO 148-1:2016 legt die Pendelschlagprüfung nach Charpy mit V-Kerbe und U-Kerbe für metallische Werkstoffe fest. Die Bezeichnungen V-Kerbe und U-Kerbe beschreiben das Kerbprofil und nicht zwei austauschbare Prüfergebnisse. Eine V-Kerbe besitzt geneigte Seiten, die an einem kontrollierten Kerbgrundradius zusammentreffen, wodurch eine relativ scharfe Spannungskonzentration entsteht. Eine U-Kerbe hat einen abgerundeten Kerbgrund und daher ein anderes örtliches Spannungsfeld. Kerbtiefe, eingeschlossener Winkel, Kerbgrundradius, Probekörperabmessungen und Oberflächenbeschaffenheit werden durch die jeweils geltende Norm vorgeschrieben. Geringfügige Abweichungen können die Rissinitiierung und die plastische Verformung vor dem Bruch verändern.

Nennabmessung (mm)

Der häufig verwendete Charpy-Probekörper in voller Größe hat nominale Abmessungen von 10 mm × 10 mm × 55 mm, wobei die jeweils geltende Norm und die Produktspezifikation die zulässigen Abmessungen und Ausführungen mit verminderten Abmessungen bestimmen. Bei einem Probekörper mit V-Kerbe ist die Kerbe normalerweise 2 mm tief, weist einen eingeschlossenen Winkel von 45 Grad und einen festgelegten Kerbgrundradius auf. Diese Angaben beschreiben eine standardisierte Geometrie und sind keine allgemeine Anleitung für beliebige Schlagprobekörper. Die Abmessungen der U-Kerbe richten sich ebenfalls nach der ausgewählten Norm und dürfen nicht aus der Praxis für V-Kerben abgeleitet werden.

ASTM E23 behandelt sowohl Charpy-Schlagversuche am einfach gelagerten Balken als auch Izod-Schlagversuche am Kragträger. Dieser Unterschied ist wesentlich. Ein Izod-Probekörper wird als Kragträger eingespannt und oberhalb der Einspannung getroffen, während ein Charpy-Probekörper an beiden Enden aufliegt. Ein Wert aus dem einen Verfahren darf nicht als Ergebnis des anderen Verfahrens bezeichnet werden. ASTM E23 behandelt außerdem Anforderungen an Probekörper, Prüfverfahren, Maschinenüberprüfung, Berichterstattung sowie die Bestimmung des Erscheinungsbildes des Scherbruchs.

Die Kerbe wird üblicherweise so ausgerichtet, dass der Schlagkörper die ungekerbte Fläche belastet und die Kerbe auf der Zugseite des Biegequerschnitts liegt. Bei der Biegung des Restquerschnitts entsteht der Riss dann am Kerbgrund. Die Orientierung des Probekörpers muss ebenfalls angegeben werden. Bei gewalztem Blech beispielsweise erfasst ein longitudinaler Charpy-Probekörper mit V-Kerbe eine andere Kombination aus Walzrichtung, Einschlüssen, Bänderung und Kornstruktur als ein Quer- oder Durchdicken-Probekörper. ASTM A673/A673M legt Probenahmeverfahren für longitudinale Charpy-V-Kerb-Prüfungen an Baustahl fest und unterscheidet bei den Prüfhäufigkeiten zwischen der Prüfung je Schmelze und der Stückprüfung. Die Probenahme ist daher Bestandteil der Bedeutung des angegebenen Ergebnisses.

Pendelschlag und Berechnung der aufgenommenen Energie

Vor der Auslösung wird das Pendel auf eine festgelegte Höhe angehoben und mit einer bekannten potenziellen Energie versehen. Es schwingt nach unten, trifft den Probekörper mit kontrollierter Geschwindigkeit, bricht oder biegt den Stab und steigt auf der gegenüberliegenden Seite wieder auf eine geringere Höhe. In vereinfachter Form ergibt sich die aufgenommene Energie aus

$$E=\mathrm{mg}(h_1-h_2),$$

wobei $m$ die effektive Pendelmasse, $g$ die Erdbeschleunigung sowie $h_1$ und $h_2$ die anfängliche und die abschließende Pendelhöhe darstellen. Tatsächliche Maschinen berücksichtigen mechanische Verluste, Reibung, Luftwiderstand, die Geometrie des Schlagkörpers und die Maschinenkalibrierung. Der angezeigte Wert wird üblicherweise in Joule angegeben.[3][3] Charpy Machine Verification Program. National Institute of Standards and Technology. NIST program resource, 2024.

NIST beschreibt die Charpy-Prüfung als eine Prüfung mit hoher Belastungsgeschwindigkeit, bei der die während des Bruchs aufgenommene Energie gemessen wird und die indirekte Bestimmung der Schlagzähigkeit ermöglicht. Maschinen werden regelmäßig durch Verfahren wie das NIST Charpy Machine Verification Program überprüft; dabei werden zertifizierte Probekörper nach ASTM E23 und ISO 148-2 verwendet. Die Überprüfung stellt fest, dass die Maschine zulässige Ergebnisse liefert; sie beseitigt jedoch nicht die durch Stahlzusammensetzung, Wärmebehandlung, Probekörpervorbereitung oder Probenahme verursachte Streuung.

Die Energie umfasst mehr als nur die zur Erzeugung einer neuen Rissoberfläche erforderliche Energie. Sie umfasst auch elastische und plastische Biegung, Rissinitiierung, stabiles Weiterreißen, Reibungseffekte und andere während des Ereignisses auftretende Verformungen. Ein hoher Wert geht häufig mit duktiler Rissausbreitung einher, während ein niedriger Wert oft mit einem durch Spaltbruch dominierten Bruch verbunden ist. Die Energie allein kennzeichnet jedoch nicht den vollständigen Bruchvorgang. Die Bruchfläche sollte untersucht und das Erscheinungsbild des Scherbruchs aufgezeichnet werden, sofern dies vorgeschrieben ist.

Die Temperatur kann das Ergebnis stark verändern. Ferritische Stähle, beispielsweise viele Sorten von Kohlenstoffstahl und niedriglegiertem Baustahl, können bei sinkender Temperatur einen Übergang von duktilem zu sprödem Verhalten zeigen. Ein einzelner Wert bei Raumtemperatur kann das Verhalten bei einer winterlichen Auslegungstemperatur, in einer Wärmeeinflusszone einer Schweißung oder bei einem schnellen Rissereignis im Betrieb nicht repräsentieren. Die Charpy-Energie kann bestimmte Korrelationen zur Abschätzung einer unteren Grenze der Bruchzähigkeit ferritischer Stähle unterstützen; für das untere Plateau, den Übergangsbereich und das obere Plateau gelten jedoch unterschiedliche Beziehungen. Sie ist kein Wert der Bruchzähigkeit unter ebener Dehnung und legt auch nicht unmittelbar das Rissstoppverhalten fest. Der Fallgewichts-Reißversuch ist ein separates Verfahren zur Untersuchung des Rissstoppverhaltens von Rohrleitungsstählen; dabei werden die Anteile von duktilem Scherbruch und Spaltbruch über einen Bereich von Schlagtemperaturen bestimmt.

Geometrie des einfach gelagerten Balkens, Auflagerbedingungen und Kerbenausrichtung

Der Charpy-Probekörper verhält sich während des Schlags näherungsweise wie ein einfach gelagerter Balken. Seine Enden liegen auf Auflagern mit einer vorgeschriebenen Spannweite, während der Schlagkörper nahe der Mitte eine konzentrierte Last aufbringt. Auflager, Spannweite, Radius des Schlagkörpers, Freiraum, Ausrichtung und Aufprallgeschwindigkeit beeinflussen die Biegespannung und den Grad der Zwangsbeanspruchung im Bereich der Kerbe. Ein schlecht aufliegender, fehlausgerichteter, beschädigter oder außerhalb der vorgeschriebenen Stelle getroffener Probekörper kann selbst bei scheinbar korrekten Abmessungen einen irreführenden Wert liefern.

Die Kerbenausrichtung bestimmt, welche Werkstoffrichtung quer zum Risspfad liegt. Walztextur, längliche Einschlüsse, das Erstarrungsgefüge einer Schweißung, Entmischungen und vorausgegangene Verformung können dazu führen, dass sich longitudinale, transversale und durch die Dicke entnommene Ergebnisse erheblich unterscheiden. Bearbeitungsspuren, ein zu großer Kerbgrundradius, Grate, Korrosion und während der Vorbereitung eingebrachte Wärme können die Rissinitiierung ebenfalls verändern. Eine Vergleichbarkeit setzt dieselbe Norm, denselben Kerbtyp, dieselben Abmessungen, dieselbe Orientierung, dieselbe Temperatur, dieselbe Auflageranordnung und eine vergleichbare Vorbereitungshistorie voraus.

Seitennuten veranschaulichen, wie die Geometrie das Bruchverhalten zusätzlich verändern kann. NIST berichtete 2011, dass Seitennuten bei Energien im oberen Plateau die Ansammlung plastischer Verformung verringern und die Spaltbildung fördern; die Ausprägung der Spaltbildung ist nahe der Übergangstemperatur vom duktilen zum spröden Verhalten am größten. Solche Probekörper können für eine klar definierte Untersuchung geeignet sein, ihre Ergebnisse sollten jedoch ohne Angabe des Verfahrens nicht mit gewöhnlichen Charpy-Werten zusammengeführt werden.[4][4] ISO 14556:2023 Metallic materials — Charpy V-notch pendulum impact test — Instrumented test method. International Organization for Standardization. ISO standard, 2023.

ISO 14556:2023 legt die instrumentierte Pendelschlagprüfung nach Charpy mit V-Kerbe fest. Dabei werden Kraft und Weg oder entsprechende Signale aufgezeichnet, um zusätzliche Informationen über das Bruchverhalten zu liefern. ISO 148-1:2016 ersetzt die konventionelle Energieprüfung nicht durch dieses instrumentierte Verfahren. Das konventionelle Charpy-Ergebnis ist eine standardisierte Reaktion auf ein einzelnes kontrolliertes Schlagereignis – keine direkte Simulation jedes im Betrieb auftretenden Risses, jeder Belastungsgeschichte, jedes Einspannungszustands oder jedes Rissstopp-Problems.

ASTM E23, ISO 148-1:2016 und ISO 14556:2023

Charpy-Ergebnisse sind standardisierte Messwerte, jedoch nicht automatisch über verschiedene Normen hinweg austauschbar. Ein angegebener Wert hängt vom Probekörper, der Kerbe, der Orientierung, der Prüftemperatur, der Pendelschlagmaschine, dem Verifizierungsstatus, dem Werkstoffzustand und den Regeln für die Ergebnisangabe ab. Außerdem beschreibt er die absorbierte Schlagenergie – nicht die Bruchzähigkeit unter Ebenenverformungsbedingungen, den Rissarrestwiderstand oder sämtliche Aspekte des Bruchverhaltens.

NIST beschreibt die Charpy-Prüfung als eine Prüfung mit hoher Belastungsgeschwindigkeit, bei der die während des Bruchs absorbierte Energie gemessen wird und die ein indirektes Maß für die Schlagzähigkeit liefert (NIST, 2024). Diese Unterscheidung ist für ferritische Stähle von Bedeutung, da diese bei sinkender Temperatur üblicherweise einen Übergang vom duktilen zum spröden Verhalten durchlaufen. Ein Ergebnis bei Raumtemperatur kann daher eine starke Verringerung der Energie bei einer niedrigeren Betriebstemperatur verbergen.

Was ASTM E23 regelt und angibt[5][5] ASTM E23: Standard Test Methods for Notched Bar Impact Testing of Metallic Materials. ASTM International. ASTM International standard, 2025.

ASTM E23 umfasst sowohl Charpy-Schlagbiegeversuche mit einfachem Balken als auch Izod-Schlagbiegeversuche mit Kragträger (ASTM International, 2025). Für Charpy-Prüfungen betreffen die Anforderungen die Abmessungen und Kerbdetails des Probekörpers, die Lagerung und Orientierung des Probekörpers, das Prüfverfahren, den Betrieb der Maschine, die Verifizierung und die Ergebnisangabe. Die Norm umfasst außerdem die Bestimmung des Scherbruchanteils, sodass die Bruchfläche das Ergebnis der absorbierten Energie ergänzen kann.

Dieser Anwendungsbereich macht den angegebenen Wert zu mehr als einer einfachen Pendelmessung, verwandelt die Prüfung jedoch nicht in eine direkte Messung der Bruchzähigkeit. Die Maschine erfasst die Energiedifferenz, die mit dem gebrochenen Probekörper verbunden ist und üblicherweise in Joule oder Fuß-Pfund angegeben wird. Der Wert ist nur zusammen mit dem Kerbentyp, der Orientierung des Probekörpers, der Prüftemperatur, der Werkstoffkennzeichnung und der jeweils geltenden Abnahmeanforderung aussagekräftig.

Der Zustand der Maschine ist Teil der Messkette. Charpy-Maschinen werden gemäß ASTM E23 und ISO 148-2 regelmäßig mit zertifizierten Referenzprobekörpern verifiziert, unter anderem im Rahmen des Charpy Machine Verification Program von NIST. Eine Maschine, welche die geltenden Verifizierungsanforderungen nicht erfüllt hat, kann ein numerisch präzises Ergebnis liefern, das dennoch für einen Vergleich ungeeignet ist.

ASTM E23 legt außerdem nicht die vollständige Bedeutung der Probenahme für jedes Stahlerzeugnis fest. ASTM A673/A673M legt Probenahmeverfahren für die longitudinale Charpy-V-Kerbprüfung von Baustahl fest und unterscheidet zwischen Prüfhäufigkeiten für Schmelzen- und Stückprüfungen. Zwei Ergebnisse, die mit demselben Schlagprüfverfahren erzielt wurden, können daher ein unterschiedliches Maß an Produktionsüberwachung darstellen, wenn ihre Probenahmepläne voneinander abweichen.

Das Bruchbild liefert Nachweise, die durch die Energie allein nicht erbracht werden können. Duktiles Scheren absorbiert im Allgemeinen mehr Energie, während ein überwiegend durch Spaltbruch bestimmter spröder Bruch im Allgemeinen weniger Energie absorbiert. Der prozentuale Scherbruchanteil kann erkennen lassen, wo ein Probekörper auf einer Übergangskurve liegt, wobei die Ermittlung des Bruchbilds nach dem jeweils geltenden Verfahren zur Ergebnisangabe erfolgen muss. Ein energiereiches Ergebnis im oberen Plateau weist keinen bestimmten Wert von $K_{\mathrm{IC}}$, $J_{\mathrm{IC}}$ oder der Rissarrestzähigkeit nach.

Geltungsbereich von ISO 148-1:2016 für konventionelle Charpy-Prüfungen

ISO 148-1:2016 legt Pendelschlagprüfungen mit Charpy-V-Kerb und U-Kerb für metallische Werkstoffe fest (ISO, 2016). Sie definiert die konventionelle Prüfanordnung: Ein gekerbter Probekörper wird als einfacher Balken gelagert und unter festgelegten Bedingungen durch einen Pendelschlagkörper gebrochen. Die daraus resultierende absorbierte Energie ist ein methodendefinierter Schlagwert und keine universelle Werkstoffkonstante.

Die V-Kerb- und U-Kerb-Konfigurationen sind nicht austauschbar. Ihre Kerbgeometrie verändert die Spannungskonzentration, die plastische Verformung, die Rissinitiierung und die zum Brechen des Probekörpers erforderliche Energie. Abmessungen des Probekörpers, Kerbform, Orientierung, Temperatur, Einzelheiten des Schlagkörpers und die Verifizierung der Maschine müssen daher jeden Vergleich zwischen Ergebnissen nach ISO 148-1:2016 und Ergebnissen eines anderen Verfahrens begleiten.

ISO 148-1:2016 schließt instrumentierte Charpy-Prüfungen aus. Sie befasst sich mit der konventionellen Pendelprüfung und der Bestimmung der absorbierten Energie; Messungen, die eine Aufzeichnung von Kraft und Weg erfordern, fallen unter ISO 14556. ISO 148-2 behandelt die Verifizierung von Charpy-Pendelschlagmaschinen. Daher sollte die Konformität mit ISO 148-1:2016 nicht als Nachweis dafür angesehen werden, dass eine nicht verifizierte Maschine vergleichbare Daten liefert.[6][6] What fracture toughness can I assume for a ferritic steel if I know that it meets a certain Charpy energy requirement?. TWI. TWI Technical Knowledge, 2024.

Der Geltungsbereich der Norm beseitigt auch nicht die werkstoffspezifischen Einflüsse. Ein ferritischer Stahl kann bei Temperaturänderungen ein unteres Plateau, einen Übergangsbereich und ein oberes Plateau aufweisen. Wenn die Charpy-Energie dazu verwendet wird, in diesen Bereichen einen unteren Grenzwert der Bruchzähigkeit abzuschätzen, sind gesonderte Zusammenhänge erforderlich; die Zusammenhänge für das Verhalten im unteren Plateau, im Übergangsbereich und im oberen Plateau sind nicht identisch (TWI, 2024). Solche Korrelationen gelten nur innerhalb der darin festgelegten Grenzen für Werkstoff, Geometrie und Temperatur.[7][7] Side-Grooved Charpy Impact Testing: Assessment of Splitting and Fracture Properties of High-Strength Steels. National Institute of Standards and Technology. NIST publication, 2011.

Untersuchungen von NIST, die 2011 zu Charpy-Probekörpern mit Seitennuten veröffentlicht wurden, ergaben, dass Seitennuten die akkumulierte plastische Verformung bei Energien im oberen Plateau verringern und die Spaltbildung begünstigen. Die Stärke der Spaltbildung war in der Nähe der Übergangstemperatur vom duktilen zum spröden Verhalten am größten. Diese Erkenntnis veranschaulicht, warum die Vorbereitung des Probekörpers das Bruchverhalten verändern kann, ohne die nominelle Bezeichnung als Charpy-Prüfung zu ändern.

Instrumentierte Charpy-Prüfung nach ISO 14556:2023

ISO 14556:2023 legt die instrumentierte Pendelschlagprüfung mit Charpy-V-Kerb sowie die dafür verwendeten Mess- und Aufzeichnungseinrichtungen fest (ISO, 2023). Zusätzlich zur gesamten absorbierten Energie des Pendels zeichnet das instrumentierte System während des Aufpralls kraftbezogene Daten auf. Dadurch ist, vorbehaltlich der Messanforderungen und der Datenauslegung der Norm, eine Analyse von Phasen wie Rissinitiierung, instabiler Rissausbreitung und anschließendem Bruch möglich.

Dies kann Informationen über das Bruchverhalten liefern und nicht nur einen einzigen integrierten Energiewert. Kraft-Weg- oder Kraft-Zeit-Aufzeichnungen können dabei helfen, die Initiierungsenergie von der Ausbreitungsenergie zu unterscheiden, und können Unterschiede zwischen duktilem Reißen, Spaltbruch und Mischbruch erkennen lassen. Die zusätzlichen Signale liefern jedoch nicht automatisch einen Wert der Bruchzähigkeit unter Ebenenverformungsbedingungen; Probekörpergröße, Einspannung, Kerbschärfe, Kalibrierung und Annahmen bei der Auswertung bleiben von Bedeutung.

ISO 14556:2023 ist ausdrücklich ein instrumentiertes Verfahren mit Charpy-V-Kerb. Seine Ergebnisse sollten nicht ohne Weiteres mit konventionellen V-Kerb-Werten nach ISO 148-1:2016 oder mit Werten nach ASTM E23 zusammengeführt werden, selbst wenn die Probekörper ähnlich erscheinen. Unterschiedliche Ausrüstungen, Kalibrierungen, Definitionen, Filterungen, Konventionen für die Ergebnisangabe und Abnahmekriterien können die angegebenen Größen verändern.

Die Charpy-Prüfung darf auch nicht mit dem Fallgewicht-Reißversuch verwechselt werden. Dieses separate Verfahren untersucht das Rissarrestverhalten von Pipeline-Stahl, indem die Anteile duktilen Scherbruchs und Spaltbruchs über verschiedene Schlagtemperaturen hinweg gemessen werden. Es beantwortet eine andere ingenieurtechnische Fragestellung. Charpy-Energie, instrumentierte Schlagprüfdaten, Bruchbild und Rissarrestmessungen sind miteinander verbundene Nachweise, jedoch keine austauschbaren Bezeichnungen.

Maschinenüberprüfung, Kalibrierung und die Glaubwürdigkeit eines Ergebnisses

Direkte Überprüfung und zertifizierte Referenzproben

Ein Charpy-Ergebnis ist nur dann glaubwürdig, wenn das vollständige Prüfsystem nachgewiesen hat, dass es ein bekanntes Ansprechverhalten erzeugen kann. Die Maschinenüberprüfung erbringt diesen Nachweis. Sie ist nicht gleichbedeutend mit der Prüfung, ob das Pendel schwingt, ob die Probe zwischen die Auflager passt oder ob die Skala eine plausible Zahl anzeigt.

Gemäß ASTM E23 und ISO 148-2 wird bei der direkten Überprüfung mit zertifizierten Referenzproben gearbeitet, für die etablierte Werte der Schlagarbeit vorliegen. Das Labor bricht diese Proben auf der Maschine und vergleicht die gemessenen Ergebnisse mit dem zertifizierten Bereich. Da das Verhalten der Referenzproben bekannt ist, prüfen sie die Maschine und ihre Messkette unter tatsächlichen Schlagbedingungen, anstatt lediglich einzelne Abmessungen zu kontrollieren.

Diese Unterscheidung ist wichtig, weil die Charpy-Prüfung eine Messung bei hoher Belastungsgeschwindigkeit ist. NIST beschreibt die Prüfung als Messung der beim Bruch aufgenommenen Energie und als indirektes Maß der Schlagzähigkeit. Das Pendel muss die Energie während eines Bruchereignisses von sehr kurzer Dauer übertragen, während die Maschine die Differenz zwischen ihrer Anfangs- und Endenergie erfasst. Kleine mechanische Verluste oder geometrische Fehler können daher den angezeigten Wert beeinflussen.

Eine direkte Überprüfung kann mehrere Fehlerarten gleichzeitig aufdecken. Eine übermäßige Pendelreibung verringert die vor dem Aufprall verfügbare Energie. Ein beschädigter, abgerundeter, falsch ausgerichteter oder falsch dimensionierter Schlagkörper verändert die Belastung der Kerbe. Verschlissene Auflager oder ein falscher Auflagerabstand verändern die Biege- und Kontaktbedingungen. Eine Fehlausrichtung der Auflager kann Torsion oder eine ungleichmäßige Einspannung verursachen. Die Maschine kann weiterhin einen sauberen Bruch und einen glaubwürdigen Skalenwert erzeugen, während sie die Anforderungen an die Referenzprobe nicht erfüllt.

Auch die Maschinenkapazität hat eine festgelegte Bedeutung. Ein für den vorgesehenen Energiebereich zu großes Pendel kann eine unzureichende Auflösung aufweisen, während eine Maschine mit unzureichender Kapazität die Probe nicht ordnungsgemäß brechen kann oder nahe ihrer Grenze an Messgenauigkeit verlieren kann. Die anzuwendende Norm und die Auslegung der Maschine bestimmen die zulässige Kapazität, den Energiebereich, die Geometrie des Schlagkörpers, die Probenauflager und das Anzeigesystem.

Überprüfung ist nicht lediglich ein Synonym für Kalibrierung. Die Kalibrierung betrifft im Allgemeinen die Genauigkeit eines Messelements im Vergleich mit einer rückführbaren Referenz. Bei der Überprüfung wird gefragt, ob die vollständig montierte Charpy-Maschine einschließlich ihrer mechanischen Komponenten und der Energieanzeige im vorgeschriebenen Prüfverfahren akzeptable Ergebnisse erzeugt. Ein Labor kann einen Encoder kalibrieren oder eine Skala prüfen und dennoch eine Maschine besitzen, die bei der direkten Überprüfung versagt, weil der Schlagkörper, die Lager, die Reibung oder die Auflager fehlerhaft sind.

Das Charpy-Maschinenüberprüfungsprogramm des NIST

Das Charpy-Maschinenüberprüfungsprogramm des NIST unterstützt die regelmäßige Überprüfung von Charpy-Maschinen unter Verwendung zertifizierter Proben gemäß ASTM E23 und ISO 148-2. Das Programm besteht, weil die Unterschiede zwischen Maschinen groß genug sein können, um Unterschiede zwischen Werkstoffen zu überdecken, insbesondere wenn die gemessenen Energien nahe an einer Spezifikationsgrenze liegen oder wenn Ergebnisse zwischen Laboratorien verglichen werden.

Die zertifizierten Proben sind kein Ersatz für Produktionsproben. Sie sind Kontrollmaterialien, mit denen festgestellt wird, ob das gemessene Ansprechverhalten der Maschine innerhalb eines akzeptierten Bereichs liegt. Ein bestandenes Ergebnis stützt das Vertrauen in das Prüfsystem zum Zeitpunkt der Überprüfung; es zertifiziert jedoch nicht jede zukünftige Prüfung und beweist nicht, dass jede Probe korrekt vorbereitet, ausgerichtet, konditioniert und geprüft wurde.

Zwischen den formalen Überprüfungen bleiben routinemäßige Kontrollen erforderlich. Das Personal sollte die Abmessungen des Schlagkörpers und der Auflager, die Ausrichtung der Auflager, die Pendelposition, die Nivellierung der Maschine, Reibungsverluste, die Funktion der Anzeige oder Instrumentierung sowie den Zustand der Schutzvorrichtungen und der Einhausungsausrüstung bestätigen. Die Probe muss die geforderten Abmessungen, den Kerbradius, die Kerbtiefe, die Kerbausrichtung und den Oberflächenzustand erfüllen. Eine Kerbinspektion kann Grate, übermäßige Rauheit, Bearbeitungsspuren oder einen außerhalb der Toleranz liegenden Radius erkennen. Diese Kontrollen betreffen die Geometrie von Probe und Maschine; die direkte Überprüfung betrifft das gemessene Bruchverhalten des vollständig montierten Systems.

Die Temperaturregelung ist eine gesonderte Unsicherheitsquelle. Ferritische Stähle können beim Absinken der Temperatur von einem duktilen Bruch mit hoher Energie zu einem spaltbruchdominierten Bruch mit niedriger Energie übergehen. Eine bei der falschen Temperatur geprüfte Probe kann eine vollkommen reproduzierbare Zahl liefern, die jedoch die falsche Frage beantwortet. Das Labor muss die Konditionierungszeit, die Transferzeit, die Temperatur des Bades oder der Kammer sowie die von der Probe tatsächlich erreichte Temperatur kontrollieren. Auch das Vorgehen des Bedieners ist gleichermaßen wichtig: Eine falsche Zentrierung, eine umgekehrte Probe, eine verzögerte Auslösung oder eine verwechselte Kerbausrichtung kann eine ansonsten bestandene Maschinenprüfung ungültig machen.

ASTM E23 behandelt Charpy-Schlagbiegeversuche am einfach gelagerten Balken und Izod-Schlagbiegeversuche am Kragbalken, einschließlich Maschinenüberprüfung, Berichterstattung und Bestimmung des Scherbruchaussehens. ISO 148-1:2016 legt Pendelschlagprüfungen mit V-Kerb und U-Kerb nach Charpy für metallische Werkstoffe fest. Die instrumentierte Prüfung ist davon getrennt: ISO 14556:2023 behandelt die instrumentierte Charpy-Prüfung mit V-Kerb und die zur Aufzeichnung zusätzlicher Bruchinformationen verwendete Ausrüstung.

Warum ein korrekt erscheinender Schlagwert dennoch unzuverlässig sein kann

Ein Zahlenwert kann plausibel erscheinen und dennoch keine werkstoffbezogene Aussagekraft besitzen. Durch die Überprüfung lassen sich die Streuung von Probe zu Probe, Unterschiede zwischen Schmelzen, Orientierungseffekte oder Fehler bei der Probenahme nicht beseitigen. ASTM A673/A673M legt Probenahmeverfahren für die Charpy-V-Kerb-Prüfung in Längsrichtung an Baustahl fest und unterscheidet die Häufigkeiten von Schmelzenprüfungen und Stückprüfungen. Der Probenahmeplan ist daher Teil dessen, was das Ergebnis repräsentiert. Drei ordnungsgemäß geprüfte Proben aus einer nicht repräsentativen Stelle charakterisieren nicht ein gesamtes Bauwerk.

Das Bruchaussehen liefert Nachweise, die der Energiewert allein nicht liefern kann. Duktiler Scherbruch verbraucht im Allgemeinen mehr Energie als Spaltbruch, doch dieselbe aufgenommene Energie kann aus unterschiedlichen Kombinationen von Scherbruch, Spaltbruch, Aufspaltung und plastischer Verformung hervorgehen. NIST berichtete 2011, dass Seitenkerben bei Energien des oberen Plateaus die Ansammlung plastischer Verformung verringern und die Aufspaltung fördern, wobei die Aufspaltungsintensität in der Nähe der Übergangstemperatur vom duktilen zum spröden Verhalten am größten ist. Die Probengeometrie kann den Bruchvorgang verändern.

Ebenso ist die Charpy-Energie kein Wert der Bruchzähigkeit unter ebener Dehnung. Korrelationen können die untere Grenze der Bruchzähigkeit für bestimmte ferritische Stähle und Temperaturbereiche abschätzen, doch für das Verhalten im unteren Plateau, im Übergangsbereich und im oberen Plateau gelten unterschiedliche Beziehungen. Ein bei Raumtemperatur ermittelter Wert kann den Einsatz bei niedrigen Temperaturen nicht beschreiben, wenn der Stahl einen Übergang vom duktilen zum spröden Verhalten durchläuft.[8][8] What is the drop-weight tear test?. TWI. TWI Technical Knowledge, 2024.

Schließlich ersetzt die Charpy-Prüfung keine Prüfung des Rissstopps. Der Fallgewichts-Rissfortpflanzungsversuch bewertet das Rissstoppverhalten von Pipeline-Stahl anhand der Anteile von duktilem Scherbruch und Spaltbruch über verschiedene Schlagtemperaturen hinweg. Er beantwortet eine andere Frage. Eine überprüfte Maschine macht einen Charpy-Wert als Messgröße zuverlässiger; sie macht diesen Wert jedoch nicht zu einer vollständigen Beschreibung des Bruchwiderstands.

Temperatur, ferritische Stähle und der Duktil-Spröd-Übergang

Ferritische Stähle zeigen häufig einen Duktil-Spröd-Übergang, wenn die Temperatur sinkt. Bei wärmeren Temperaturen kann sich plastische Verformung um die Kerbe herum entwickeln und vor dem Auseinanderbrechen der Probe eine beträchtliche Schlagenergie aufnehmen. Bei kälteren Temperaturen ist die Versetzungsbewegung stärker eingeschränkt, die lokale Spannung steigt am Kerbgrund rasch an, und ein Spaltbruch kann sich bei begrenzter plastischer Verformung ausbreiten. Diese Veränderung wird weder durch eine einzelne universelle Temperatur noch durch einen einzigen Charpy-Wert beschrieben.

Ein Charpy-Versuch erfasst die Energie, die eine gekerbte Probe während des Bruchs bei einer festgelegten Temperatur und Belastungsgeschwindigkeit aufnimmt. NIST beschreibt ihn als Versuch mit hoher Belastungsgeschwindigkeit und als indirektes Maß für die Schlagzähigkeit, nicht als direkten Bruchzähigkeitsversuch unter ebener Dehnung. Das Ergebnis hängt außerdem von der Kerbform, der Probenausrichtung, dem Zustand der Platte oder des Erzeugnisses, dem Prüfverfahren und der Probenahme ab. ASTM E23 behandelt Charpy-Aufschlagbiegeversuche am Einfachbalken und Izod-Aufschlagbiegeversuche am Kragbalken, während ISO 148-1:2016 Pendelprüfungen mit Charpy-V- und -U-Kerbe für metallische Werkstoffe festlegt. Diese Bezeichnungen und Verfahren sind beim Vergleich von Ergebnissen maßgeblich.

Unteres Plateau, Übergangsbereich und oberes Plateau

Untere HochlageUntere Hochlage Der Kaltbereich einer Charpy-Kurve für ferritischen Stahl, in dem die aufgenommenen Energien relativ niedrig sind und der Bruch üblicherweise von Spaltbruch dominiert wird.

Die vertraute Charpy-Temperaturkurve wird gewöhnlich in drei Interpretationsbereiche unterteilt. Das untere Plateau ist der Bereich bei tiefen Temperaturen, in dem die aufgenommenen Energien relativ niedrig bleiben und sich mit der Temperatur möglicherweise nur geringfügig ändern. Der Bruch ist überwiegend spaltbruchähnlich, obwohl weiterhin kleine duktile Bereiche oder Scherlippen auftreten können. Ein niedriger Wert des unteren Plateaus weist auf eine begrenzte Aufnahme plastischer Energie hin; er liefert jedoch für sich allein keine vollständige Beschreibung der Rissausbreitung in einem Bauteil.

Der Übergangsbereich liegt zwischen dem unteren und dem oberen Plateau. Hier kann eine geringfügige Temperaturänderung eine große Veränderung der aufgenommenen Energie und des Bruchbildes bewirken. Einige Proben können eine Mischung aus Spaltbruch und duktilem Scherbruch zeigen, und die Streuung kann erheblich sein. Die einer festgelegten Energie, etwa einer vertraglichen Anforderung, zugeordnete Temperatur ist daher nicht automatisch die physikalische Übergangstemperatur des Werkstoffs. Eine andere Definition kann eine mittlere Energie, ein Kriterium für das Bruchbild oder einen festgelegten Anteil des Scherbruchs verwenden.

Auf dem oberen Plateau nimmt die Probe vor dem endgültigen Auseinanderbrechen durch umfangreiche plastische Verformung deutlich mehr Energie auf. Der gemessene Wert ist dennoch kein direkter Bruchzähigkeitswert. Die Charpy-Energie auf dem oberen Plateau wird durch die Abmessungen der Probe, die Schärfe der Kerbe, die Dehnrate, die Ausrichtung und die Einspannung beeinflusst. NIST berichtete 2011, dass Seitenkerben in Charpy-Proben die Ansammlung plastischer Verformung bei Energien des oberen Plateaus verringern und eine Aufspaltung begünstigen, wobei die Aufspaltungsintensität in der Nähe der Duktil-Spröd-Übergangstemperatur am größten ist. Ein Ergebnis mit Seitenkerben sollte daher nicht als gleichwertig mit dem Ergebnis einer unveränderten Standardprobe behandelt werden.

Diese Bereiche sind keine Punkte auf einer geraden Skala von „schlecht“ bis „gut“. Wie TWI 2024 anmerkte, werden unterschiedliche Beziehungen verwendet, wenn die Charpy-Energie mit unteren Grenzwerten der Bruchzähigkeit für das Verhalten auf dem unteren Plateau, im Übergangsbereich und auf dem oberen Plateau korreliert wird. Solche Korrelationen erfordern eine anwendbare Stahlklasse, einen geeigneten Temperaturbereich, eine bestimmte Probenkonfiguration und Annahmen zur Einspannung. Die Charpy-Energie bleibt eine in Joule gemessene Schlagenergie; die Bruchzähigkeit wird üblicherweise durch Parameter wie $K_{\mathrm{IC}}$, $J_{\mathrm{IC}}$ oder ein verwandtes Maß an der Rissspitze ausgedrückt.

Spaltbruch im Vergleich zu duktilem Scherbruch

Spaltbruch ist ein schneller, spröder Bruchvorgang, bei dem sich ein Riss entlang bevorzugter kristallografischer Ebenen mit nur geringfügiger vorausgehender plastischer Verformung ausbreitet. Seine Bruchfläche erscheint häufig relativ hell und körnig. Da nur eine begrenzte plastische Arbeit verrichtet wird, nehmen Proben mit überwiegend Spaltbruch im Allgemeinen weniger Charpy-Energie auf. Das untere Plateau ist daher mit einer niedrigen Energie und einem hohen Anteil an sprödem Bruch verbunden, obwohl das genaue Erscheinungsbild von Stahl, Ausrichtung, Kerbe und Prüftemperatur abhängt.

Ein duktiler Bruch entsteht durch plastisches Fließen sowie durch die Keimbildung, das Wachstum und das Zusammenwachsen mikroskopischer Hohlräume. Er verbraucht gewöhnlich mehr Energie und erzeugt eine faserige oder matt wirkende Oberfläche, häufig mit Scherlippen in der Nähe der Außenflächen. Der Übergangsbereich kann beide Mechanismen auf einer einzigen Bruchfläche enthalten. Die Angabe der aufgenommenen Energie ohne das Bruchbild kann diese Veränderung verbergen.

Aus diesem Grund können Normen und Spezifikationen neben der Energie auch den prozentualen Anteil des Scherbruchs verlangen. Eine Probe mit mittlerer Energie und einem gemischten Bruch vermittelt eine andere Aussage als eine Probe mit derselben Energie, aber überwiegend duktilem Scherbruch. ASTM E23 enthält Verfahren zur Bestimmung des Erscheinungsbildes des Scherbruchs sowie Anforderungen an die Berichterstattung. Instrumentierte Prüfungen können während des Ereignisses zusätzliche Informationen zu Kraft, Verschiebung und aufgenommener Energie liefern: ISO 14556:2023 behandelt die instrumentierte Charpy-V-Kerb-Prüfung, während ISO 148-1:2016 dieses instrumentierte Verfahren nicht abdeckt.

Der Fallgewicht-Zerreißversuch liefert eine weitere nützliche Unterscheidung. Er ist ein eigenständiges Verfahren für Pipeline-Stähle zur Untersuchung des Rissarrestverhaltens und bewertet die Anteile von duktilem Scherbruch und Spaltbruch über verschiedene Schlagtemperaturen hinweg. Seine Ergebnisse dürfen nicht an die Stelle der Charpy-Energie gesetzt oder als dieselbe Messgröße dargestellt werden.

Warum die Betriebstemperatur die Prüftemperatur bestimmen muss

Die maßgebliche Prüftemperatur sollte die niedrigste relevante Betriebsbedingung repräsentieren, wobei die Anforderungen der anwendbaren Auslegungsvorschrift und Spezifikation zu berücksichtigen sind. Ein Charpy-Ergebnis bei Raumtemperatur belegt die Leistungsfähigkeit nur bei der geprüften oder einer nahe daran liegenden Bedingung. Es kann weder die Lage des unteren Plateaus noch das Übergangsverhalten oder das Bruchbild bei einer niedrigeren Auslegungstemperatur bestimmen.

Diese Einschränkung ist für ferritische Baustähle besonders wichtig. ASTM A673/A673M legt Probenahmeverfahren für die longitudinale Charpy-V-Kerb-Prüfung von Baustahl fest und unterscheidet bei den Prüfhäufigkeiten zwischen der Schmelzenprüfung und der Stückprüfung. Die Probenahme ist Teil der Bedeutung des Ergebnisses: Eine konforme Probengruppe beschreibt nicht zwangsläufig jede Stelle, Ausrichtung, Schmelze, Dicke oder jeden Erzeugniszustand.

Die Prüftemperatur sollte daher zusammen mit der aufgenommenen Energie, der Probenausrichtung, der Kerbbezeichnung, der Norm und jeder Anforderung an den Scherbruch angegeben werden. Auch der Zustand der Prüfmaschine ist von Bedeutung; ASTM E23 und ISO 148-2 stellen Rahmenwerke für die Überprüfung bereit, und das Charpy Machine Verification Program von NIST verwendet zertifizierte Proben zur regelmäßigen Überprüfung von Prüfmaschinen. Ohne diese Angaben ist ein gemeldeter Wert für die „Charpy-Zähigkeit“ unvollständig. Die Temperatur ist keine Fußnote zum Ergebnis; bei ferritischem Stahl kann sie bestimmen, ob der beobachtete Bruch überwiegend duktil oder spaltbruchdominiert ist.

Probenahme, Orientierung und Verarbeitungsgeschichte des Stahls

ASTM A673/A673M und die Probenahme bei Baustahl

Ein Charpy-Ergebnis beschreibt eine definierte Probe, die einem definierten Stahlstück entnommen wurde. Für Baustahlbleche ist ASTM A673/A673M von Bedeutung, weil diese Norm Verfahren für die longitudinale Charpy-V-Kerbschlagprüfung festlegt, anstatt die Probenahme als nachträglich hinzugefügtes administratives Detail zu behandeln. Die Norm regelt, an welchen Stellen Proben entnommen werden und wie häufig Schlagproben im Rahmen von Chargenprüfungen oder Stückprüfungen erforderlich sind. Diese Entscheidungen sind Bestandteil der Bedeutung des Ergebnisses.

Der Ort der Probenahme kann von Bedeutung sein, weil ein Blech über seine Länge, Breite oder Dicke hinweg nicht vollkommen gleichförmig ist. Die Chemische Seigerung kann in bestimmten Bereichen eines Gussblocks oder eines Stranggussprodukts stärker ausgeprägt sein, während Walzverformung, Abkühlungsgeschwindigkeit und Temperaturunterschiede zwischen Oberfläche und Kern über die Dicke hinweg unterschiedliche Gefüge erzeugen können. Eine aus einer zulässigen Stelle entnommene Probe weist daher das Verhalten des beprobten Materials nach dem festgelegten Prüfplan nach. Sie belegt nicht automatisch das Verhalten jeder Stelle des Blechs, jedes Blechs aus einem Fertigungslos oder jedes daraus gefertigten Bauteils.

ASTM A673/A673M sollte außerdem zusammen mit der jeweils geltenden Werkstoffnorm sowie den Anforderungen aus Bestellung oder Fertigung gelesen werden. Die Ausgabe und die Produktregelungen bestimmen die genauen Bestimmungen zur Probenahme. Ein Bericht, in dem lediglich „Charpy-geprüft“ angegeben wird, lässt wesentliche Informationen aus: die maßgebende Norm, die Probenorientierung, die Prüftemperatur, den Ort der Probenahme, die erforderliche Prüfhäufigkeit, das Ergebnis der aufgenommenen Energie und etwaige Anforderungen an das Bruchaussehen. ASTM E23 stellt den allgemeinen Rahmen für die Charpy-Einfeldbiegeprüfung bereit, einschließlich der Anforderungen an die Proben, der Verfahren, der Überprüfung der Prüfmaschine, der Berichterstattung und der Bestimmung des Scherbruchanteils. Das Charpy-Maschinenverifizierungsprogramm des NIST beschreibt die Prüfung als Messung der während des Bruchs aufgenommenen Energie bei hoher Belastungsgeschwindigkeit; es macht aus dieser Energie jedoch keinen direkten Wert der Bruchzähigkeit unter ebener Dehnung.

Longitudinale und transversale Prüfung

„Longitudinal Charpy“ bezeichnet die Probenorientierung im Verhältnis zur hauptsächlichen Walzrichtung des Produkts. Bei einer longitudinalen Probe ist die Probenlängsachse im Allgemeinen an der Walzrichtung ausgerichtet, während die Kerbenausrichtung bestimmt, in welcher Richtung sich der Riss durch das Material fortpflanzt. Eine transversale Probe wird so entnommen, dass ihre Längsachse quer zur Walzrichtung liegt. Es handelt sich um unterschiedliche Materialrichtungen und nicht um austauschbare Bezeichnungen.

Durch das Walzen werden Körner und Einschlüsse in die Länge gezogen, und es kann ein gebändertes Gefüge entstehen. Folglich kann ein Riss, der sich quer zu länglichen Gefügemerkmalen fortpflanzt, auf eine andere Abfolge von Ferrit, Perlit, Seigerungsbändern oder Einschlüssen treffen als ein Riss, der sich entlang dieser Merkmale ausbreitet. Die gemessene Energie kann sich mit der Orientierung ändern, insbesondere bei Blechstählen mit ausgeprägter Textur, deutlicher Bänderung oder einer Schwäche in Dickenrichtung. Die Wirkung wird nicht allein durch die Werkstoffgüte festgelegt. Blechdicke, Umformgrad, Wiedererwärmung, kontrolliertes Walzen, Normalisieren, Vergüten und Abkühlungsgeschichte tragen sämtlich dazu bei.

Der Kerben- und der Rissfortpflanzungsrichtung muss die gleiche Aufmerksamkeit gelten. Eine longitudinale Bezeichnung nach ASTM A673/A673M ist kein allgemein gültiger Ersatz für eine Anforderung an die transversale Zähigkeit, die Zähigkeit in Dickenrichtung oder die Schweißnahtzähigkeit. Wenn ein Bauwerk ein Blech in einer Richtung beansprucht, die durch die Prüfprobe nicht repräsentiert wird, kann der angegebene Wert eine unvollständige Grundlage für die Bewertung darstellen. Der Ingenieur muss die Probenorientierung an den zu erwartenden Rissverlauf und an die Anforderung der maßgebenden Konstruktions- oder Werkstoffnorm anpassen.

Die Temperatur stellt eine weitere Einschränkung dar. Ferritische Stähle durchlaufen bei sinkender Temperatur üblicherweise einen Übergang vom duktilen zum spröden Bruchverhalten. Ein longitudinaler Wert bei Raumtemperatur kann daher ein deutlich niedrigeres Ergebnis bei der Betriebstemperatur oder ein anderes Verhalten einer transversalen Probe bei derselben Temperatur verdecken. Die aufgenommene Energie und das Bruchaussehen sollten gemeinsam betrachtet werden: Duktiler Scherbruch nimmt im Allgemeinen mehr Energie auf, während ein überwiegend Spaltbruch gewöhnlich weniger Energie aufnimmt. ASTM E23 umfasst die Bestimmung des Scherbruchanteils, während ISO 148-1:2016 die Pendelschlagprüfung mit Charpy-V-Kerbe und Charpy-U-Kerbe für metallische Werkstoffe festlegt. Instrumentierte Messungen sind davon getrennt zu betrachten; ISO 14556:2023 behandelt die instrumentierte Charpy-V-Kerbschlagprüfung und die zur Aufzeichnung zusätzlicher Kraft- und Wegdaten verwendeten Einrichtungen.

Chargenprüfung, Stückprüfung und Werkstoffstreuung

Chargenprüfung und Stückprüfung sind Probenahmestrategien und keine zwei Bezeichnungen für dieselbe Prüfung. Bei der Chargenprüfung wird die Häufigkeit der Probenahme an die Stahlcharge gebunden, also an das aus einer einzigen kontrollierten Schmelze erzeugte Material. Bei der Stückprüfung wird die Probenahme gemäß der maßgebenden Anforderung einzelnen Produktstücken oder Einheiten zugeordnet. ASTM A673/A673M unterscheidet diese Ansätze und ihre Häufigkeiten. Daher darf eine Spezifikation, die einen dieser Ansätze vorschreibt, nicht so ausgelegt werden, als verlange sie den anderen. Die genaue Häufigkeit ist der geltenden Ausgabe und der jeweiligen Produktbestimmung zu entnehmen; sie sollte nicht aus einer allgemeinen Charpy-Praxis abgeleitet werden.

Diese Unterscheidung ist von Bedeutung, wenn aus einer Charge zahlreiche Bleche hergestellt werden, wenn sich die Blechdicken erheblich unterscheiden oder wenn sich die Verarbeitungsbedingungen während der Fertigung ändern. Eine chargenbezogene Probe kann nach dem festgelegten Probenahmeplan einen Nachweis für das repräsentierte Material liefern, aber nicht jeden lokalen Einschlussstrang, jedes Seigerungsband, jede Walzablösung oder jede Verarbeitungsabweichung erfassen. Die Stückprüfung stellt einen unmittelbareren Zusammenhang zwischen dem Ergebnis und einem bestimmten Produktstück her; dennoch wird auch dabei nur der beprobte Bereich und nicht die gesamte fertige Konstruktion untersucht.

Die Verarbeitung nach der Blechherstellung kann eine weitere Entkopplung zwischen dem Ergebnis am Grundwerkstoff und dem Verhalten im Betrieb bewirken. Das Schweißen führt thermische Zyklen ein, die Korngröße, Umwandlungsprodukte, Härte, Eigenspannungen und die örtliche Zähigkeit in der Wärmeeinflusszone verändern. Eine Wärmebehandlung nach dem Schweißen kann diese Merkmale erneut verändern. Eine nach ASTM A673/A673M entnommene Probe des Grundblechs qualifiziert weder das Schweißgut noch die Wärmeeinflusszone, sofern diese Bereiche nicht nach dem maßgebenden Verfahren separat beprobt und geprüft werden.

NIST berichtete 2011, dass Seitenkerben in Charpy-Proben bei Energien im oberen Plateau die Ansammlung plastischer Verformung verringern und eine Aufspaltung fördern, wobei die Intensität der Aufspaltung in der Nähe der Übergangstemperatur vom duktilen zum spröden Bruchverhalten am größten ist. Dies veranschaulicht, warum Probengeometrie und Bruchaussehen die Interpretation eines Energiewerts verändern können. Die Charpy-Energie kann bei ferritischen Stählen bestimmte Schätzungen der unteren Grenzwerte der Bruchzähigkeit stützen, jedoch gelten für das Verhalten im unteren Plateau, im Übergangsbereich und im oberen Plateau unterschiedliche Zusammenhänge. Sie bleibt ein Ergebnis der Schlagenergie für die beprobte Orientierung und den beprobten Zustand – keine vollständige Beschreibung jedes Rissverlaufs, jeder Schweißzone oder jedes Bauteils.

Bruchaussehen, Scherfläche, Aufspaltung und Seitennuten

Die gebrochene Charpy-Probe enthält Informationen, die der alleinige Wert der absorbierten Energie nicht erkennen lässt. Energie ist die Arbeit, die das Pendel beim Brechen der Probe verrichtet; das Bruchaussehen zeigt, wie diese Arbeit umgesetzt wurde. Ein hoher Wert kann auf eine umfangreiche plastische Verformung zurückzuführen sein, während ein niedrigerer Wert auf einen schnellen Spaltbruch hindeuten kann. Dieselbe nominelle Energie kann jedoch aus unterschiedlichen Kombinationen von Plastizität, Rissausbreitung und Einspannung resultieren.

Diese Unterscheidung ist insbesondere bei ferritischen Stählen wichtig, die typischerweise bei höheren Temperaturen von einem duktilen Verhalten zu einem mit sinkender Temperatur von Spaltbruch dominierten Verhalten übergehen. Ein Ergebnis bei Raumtemperatur kann daher einen Übergang verbergen, bei dem sich der Bruchmodus innerhalb eines vergleichsweise kleinen Temperaturbereichs deutlich verändert. ASTM E23 umfasst die Bestimmung des Scherbruchanteils bei Charpy- und Izod-Prüfungen, während ISO 148-1:2016 die Pendelschlagprüfung mit Charpy-V-Kerbe und Charpy-U-Kerbe für metallische Werkstoffe festlegt. Keine der beiden Normen macht das Bruchaussehen zu einem Ersatz für Energie, Zähigkeit oder einen Eignungsnachweis für den Einsatz.

Erkennen duktiler und spaltender Merkmale

Ein duktiler Scherbereich weist gewöhnlich ein faseriges, mattes oder aufgerissenes Aussehen auf. Der Riss schreitet unter erheblicher plastischer Verformung fort, häufig durch Keimbildung, Wachstum und Koaleszenz von Mikroporen. Auf einer Bruchfläche kann dieser Mechanismus eine rauere Textur sowie schräge Scherlippen nahe den freien Oberflächen erzeugen. Bei der entsprechenden Prüfung wird häufig eine höhere absorbierte Energie aufgezeichnet, da sich die Probe vor der vollständigen Trennung deutlich verformt.

Ein Spaltbruch erscheint typischerweise heller und kristallinartiger, mit vergleichsweise ebenen Facetten und Flusslinien, die eine schnelle Rissausbreitung entlang bevorzugter kristallografischer Ebenen anzeigen. Im Vergleich zum duktilen Aufreißen geht er mit wesentlich weniger makroskopischer plastischer Verformung einher. Eine spaltbruchdominierte Oberfläche tritt häufig zusammen mit einem niedrigen Schlagenergiewert auf; das visuelle Erscheinungsbild muss jedoch unter Berücksichtigung der Probenausrichtung, der Stahlsorte, der Temperatur, des Kerbenzustands und des Untersuchungsverfahrens interpretiert werden. Eine Bruchfläche stellt keine vollständige metallografische Diagnose dar.

Der Übergang ist häufig gemischt und nicht abrupt. Eine Probe kann an den äußeren Oberflächen duktiles Aufreißen und näher an der Kerbe einen Spaltbruchbereich aufweisen; ebenso können getrennte duktile und spaltende Bereiche durch eine sichtbare Grenzlinie voneinander getrennt sein. Die Angabe des Scherbruchanteils, häufig als Prozentsatz der Bruchfläche, kann zeigen, dass ein Werkstoff den Übergang vom duktilen zum spröden Verhalten durchläuft, selbst wenn sich die Energiewerte überschneiden. Beispielsweise können zwei Proben ähnliche Energiemengen absorbieren, während eine überwiegend einen faserigen Bruch und die andere einen erheblichen Spaltbruchbereich aufweist. Diese Ergebnisse enthalten nicht dieselbe Warnung hinsichtlich einer Rissausbreitung bei niedrigen Temperaturen.

Das Bruchaussehen hilft außerdem, Streuungen sichtbar zu machen. Die Charpy-Energie wird durch die Schärfe der Kerbe, lokale Einschlüsse, das Gefüge, die Probenausrichtung und die Prüftemperatur beeinflusst. Ein einzelner Mittelwert kann eine Probe mit einem ungewöhnlich großen Spaltbruchbereich verbergen. Die Untersuchung der Bruchflächen liefert eine physikalische Prüfung dafür, ob die gemessene Energie mit dem erwarteten Versagensmodus übereinstimmt.

Diese Hinweise dürfen nicht fälschlicherweise als Bruchzähigkeit unter ebener Dehnung bezeichnet werden. NIST beschreibt die Charpy-Prüfung als eine Prüfung mit hoher Belastungsgeschwindigkeit, bei der die während des Bruchs absorbierte Energie gemessen wird und die ein indirektes Maß für die Schlagzähigkeit liefert. Korrelationen können für ferritische Stähle eine untere Grenze der Bruchzähigkeit abschätzen; für das untere Plateau, den Übergangsbereich und das obere Plateau gelten jedoch jeweils unterschiedliche Zusammenhänge. Ein Charpy-Wert ist keine direkte Messung von $K_{\mathrm{IC}}$, $J_{\mathrm{IC}}$ oder des Rissarrests.

Scherbruchaussehen als Ergebnisangabe

Das Scherbruchaussehen wird zusammen mit der absorbierten Energie, der Prüftemperatur, der Probenausrichtung und den Identifikationsangaben als Ergebnis angegeben. Bei normengestützten Arbeiten ist das zur Bestimmung des Scherbruchanteils verwendete Verfahren von Bedeutung; visuelle Schätzungen, Vergleichsverfahren und Messkonventionen sollten nicht miteinander vermischt werden, ohne die zugrunde liegende Grundlage anzugeben. Im Bericht sollte angegeben werden, ob es sich bei der Probe um eine Standardkonfiguration mit V-Kerbe oder U-Kerbe handelte und ob eine Modifikation, beispielsweise durch Seitennuten, vorhanden war.

Ein mit steigender Temperatur zunehmender Scherbruchanteil spricht im Allgemeinen für einen Übergang vom Spaltbruch zum duktilen Bruch. Er legt allein jedoch keine allgemeingültige Übergangstemperatur fest. Ingenieure können eine Übergangstemperatur anhand eines Energiekriteriums, eines Scherflächenkriteriums oder einer festgelegten Kombination definieren; diese Temperaturen müssen nicht identisch sein. Das gewählte Kriterium muss daher angegeben werden.

Instrumentierte Prüfungen können zusätzliche Informationen über Belastungs- und Bruchereignisse liefern. ISO 14556:2023 behandelt die instrumentierte Charpy-Prüfung mit V-Kerbe sowie die zur Messung und Aufzeichnung des Schlagverhaltens verwendete Ausrüstung; instrumentierte Prüfungen fallen nicht in den Anwendungsbereich von ISO 148-1:2016. Diese Verfahren können dabei helfen, Merkmale der Rissinitiierung und der Rissausbreitung zu unterscheiden; sie erfordern jedoch weiterhin eine Kontrolle der Geometrie, des Werkstoffzustands, der Temperatur und der Ausrichtung.

Auch die Probenahme beeinflusst die Interpretation. ASTM A673/A673M legt Probenahmeverfahren für die longitudinale Charpy-Prüfung mit V-Kerbe an Baustahl fest und unterscheidet hinsichtlich der Prüfhäufigkeit zwischen Schmelzenprüfung und Stückprüfung. Daher beschreiben ein Bruchfoto und ein Energiewert eine bestimmte geprüfte Probe; sie repräsentieren nicht automatisch jede Platte, jedes Stück oder jede Schmelze.

NIST-Erkenntnisse zu Charpy-Proben mit Seitennuten

Die Untersuchung von NIST aus dem Jahr 2011 zur Charpy-Schlagprüfung mit Seitennuten ergab, dass Seitennuten mehr als nur die Kontur der Probe verändern. Bei Energien im oberen Plateau verringern sie die Ansammlung plastischer Verformung und fördern die Aufspaltung. Die stärkste Ausprägung der berichteten Aufspaltung wurde in der Nähe der Übergangstemperatur vom duktilen zum spröden Verhalten festgestellt.

Aufspaltung ist ein in Längsrichtung verlaufendes Trenn- oder Aufreißmerkmal, das sich vor oder neben dem hauptsächlichen Bruchpfad entwickeln kann. Seitennuten führen die Verformung und verändern die Einspannung über die Probenbreite, wodurch sich das Risswachstum und die daraus resultierende Bruchmorphologie ändern. Sie können die Bruchfläche stärker segmentiert erscheinen lassen und sowohl die gemessene Energie als auch die Aufteilung zwischen duktilen und spaltenden Bereichen beeinflussen.

Aus diesem Grund sollten Proben mit Seitennuten und herkömmliche Charpy-Proben nicht ohne Weiteres miteinander verglichen werden. Die veränderte Geometrie beeinflusst die Einspannung, die Plastizität, die Rissausbreitung und die Möglichkeit zur Aufspaltung. Ein Ergebnis an einer Probe mit Seitennuten kann für einen festgelegten Forschungs- oder Eignungsnachweiszweck nützlich sein; es ist jedoch nicht einfach eine schärfere Version eines Standardergebnisses. Geometrie, Kerbenform, Abmessungen der Nuten, Ausrichtung, Temperatur und Berichtsverfahren müssen der beabsichtigten Vergleichsgrundlage entsprechen.

Die NIST-Erkenntnisse unterstreichen außerdem die zentrale Einschränkung der Schlagenergie: Der Zahlenwert allein identifiziert den Bruchmechanismus nicht. Energie, Scherfläche, Spaltbruchmerkmale und Aufspaltung sollten gemeinsam betrachtet werden, wobei die anzuwendende Norm und die Probenkonstruktion erkennbar berücksichtigt bleiben.

Instrumentierte Charpy-Prüfung und zusätzliche Erkenntnisse aus den Signalen

Die instrumentierte Charpy-Prüfung ergänzt den gewöhnlichen Pendelschlagversuch um Messkanäle. Anstatt nur die anfängliche und die abschließende Energie des Hammers aufzuzeichnen, erfasst die Maschine die auf den Probekörper ausgeübte Kraft und deren Veränderung während des Ereignisses. Diese zusätzliche Aufzeichnung kann zeigen, wann der Probekörper beginnt, seine Lasttragfähigkeit zu verlieren, wie viel Arbeit vor dem Risswachstum verrichtet wird und wie sich der Bruch nach seiner Einleitung entwickelt. Sie macht aus einem Charpy-Probekörper jedoch keinen herkömmlichen Bruchzähigkeitsprobekörper.

ISO 148-1:2016 legt Pendelschlagprüfungen mit Charpy-V-Kerbe und Charpy-U-Kerbe für metallische Werkstoffe fest; instrumentierte Prüfungen sind jedoch aus diesem Verfahren ausgeschlossen. Die separate Norm ISO 14556:2023 legt die instrumentierte Pendelschlagprüfung mit Charpy-V-Kerbe sowie die Mess- und Aufzeichnungseinrichtungen fest, die verwendet werden, um zusätzliche Informationen über das Bruchverhalten unter Schlagbeanspruchung zu gewinnen. ASTM E23 behandelt Pendelschlagprüfungen nach Charpy mit einfachem Balken sowie Izod-Schlagprüfungen mit einseitig eingespanntem Balken, einschließlich Anforderungen an Probekörper, Verfahren, Maschinenüberprüfung, Berichterstattung und Bestimmung des Scherbruchanteils; ein instrumentiertes Ergebnis hängt weiterhin von der jeweils anwendbaren Prüfnorm und den Anforderungen an die Berichterstattung ab.

Informationen aus Kraft-Zeit- und Energie-Zeit-Verläufen

Ein herkömmliches Charpy-Ergebnis wird gewöhnlich als absorbierte Schlagenergie, meist in Joule, angegeben. NIST beschreibt die Charpy-Prüfung als eine Prüfung mit hoher Belastungsgeschwindigkeit, bei der die während des Bruchs absorbierte Energie gemessen wird und die ein indirektes Maß für die Schlagzähigkeit liefert. Die Instrumentierung ergänzt den Kraft-Zeit-Verlauf und häufig auch einen Kraft-Weg- oder Kraft-Energie-Verlauf, aus dem die Gesamtarbeit berechnet werden kann. Vereinfacht ausgedrückt entspricht die Fläche unter einer Kraft-Weg-Kurve der mechanischen Arbeit, die auf den Probekörper übertragen wird, während ein Energie-Zeit-Verlauf zeigt, wie schnell sich diese Arbeit aufbaut.

Die Form der Kurve ist entscheidend. Ein steiler anfänglicher Anstieg kann die elastische und plastische Belastung des gekerbten Restquerschnitts widerspiegeln. Eine Maximalkraft kann den Punkt kennzeichnen, an dem der Probekörper seine höchste Last erreicht, wobei die Maximalkraft nicht automatisch mit der physikalischen Risseinleitung identisch ist. Ein abfallender Kurvenabschnitt kann auf Risswachstum, plastisches Versagen, Veränderungen des Kontakts mit dem Schlagkörper oder eine Kombination dieser Effekte hindeuten. Das Signal muss daher unter Berücksichtigung der Probekörpergeometrie, der Schlagkörperkonfiguration, der Spannweite, der Aufprallgeschwindigkeit und der Prüftemperatur interpretiert werden.

Ein aussagekräftiger Verlauf setzt eine hohe Messqualität voraus. Kraftaufnehmer, Weg- oder Geschwindigkeitsmessung, Zeitmessung, Verstärkerbandbreite, Datenerfassungsrate und Kalibrierung beeinflussen allesamt die aufgezeichnete Kurve. Mechanische Schwingungen können Oszillationen erzeugen, die Bruchereignissen ähneln. Eine Filterung kann Rauschen entfernen, doch eine übermäßige Filterung kann auch einen Spitzenwert verschieben oder ein kurzes Einleitungsereignis verdecken. Die Nachgiebigkeit der Maschine und die Masse des Schlagkörpers beeinflussen den Zusammenhang zwischen dem aufgezeichneten Signal und der tatsächlich vom Probekörper getragenen Kraft.

Die integrierte instrumentierte Energie sollte außerdem mit dem herkömmlich bestimmten absorbierten Energiewert der Maschine verglichen werden. Eine Übereinstimmung ist nicht garantiert: Reibung, Pendelverluste, Einflüsse der Einspann- und Auflagevorrichtung, Kalibrierfehler und die gewählte Rekonstruktion des Kraft-Weg-Verlaufs können zu Abweichungen führen. Die regelmäßige Überprüfung der Maschine bleibt daher relevant. ISO 148-2 und ASTM E23 stellen Verfahren für die Überprüfung bereit, darunter zertifizierte Probekörper im von NIST beschriebenen Charpy Machine Verification Program.

Rissinitiierungs- und Rissausbreitungsverhalten unter Schlagbeanspruchung

Eine wichtige Anwendung der Kraftaufzeichnung besteht darin, das Ereignis in einzelne Phasen zu unterteilen. Bevor sich ein Riss ausbreitet, kann der gekerbte Restquerschnitt elastische und plastische Verformungen erfahren. Wenn anschließend ein Riss eingeleitet wird, kann der Kraft-Zeit-Verlauf eine Änderung der Steigung, ein lokales Maximum, einen plötzlichen Abfall oder ein anderes Merkmal zeigen, das durch das analytische Verfahren festgelegt wird. Die bis zum ausgewählten Einleitungspunkt verrichtete Arbeit kann als Einleitungsenergie bezeichnet werden, während die verbleibende Arbeit mit der anschließenden Rissausbreitung und der Verformung des Probekörpers zusammenhängt.

Diese Begriffe beschreiben eine Auswertung und stellen keine automatisch gültige physikalische Tatsache dar. Die Risseinleitung kann bereits vor einem deutlich erkennbaren Kraftabfall erfolgen, insbesondere wenn sich ein stabiles duktiles Aufreißen allmählich entwickelt. Umgekehrt kann eine scharfe Signaländerung auf einen Maschinen- oder Kontakteffekt und nicht auf einen neu entstandenen Riss zurückzuführen sein. Zur Bestätigung der Bedeutung eines Merkmals können Hochgeschwindigkeitsaufnahmen, eine Untersuchung der Bruchfläche nach der Prüfung, eine Nachgiebigkeitsanalyse oder zusätzliche Sensoren erforderlich sein.

Die Unterscheidung kann im Bereich des duktil-spröden Übergangs ferritischer Stähle besonders aussagekräftig sein. Bei niedrigeren Temperaturen kann Spaltbruch zu einem schnellen Lastverlust und einer vergleichsweise geringen Verformung führen. Bei höheren Temperaturen können duktiles Aufreißen und plastische Verformung über einen längeren Abschnitt des Verlaufs mehr Energie verbrauchen. Das Bruchaussehen liefert eine wesentliche Kontrollmöglichkeit: Scher- und Faserbruchbereiche stützen im Allgemeinen eine andere Interpretation als spaltbruchdominierte Bereiche, selbst wenn zwei Probekörper ähnliche Gesamtenergien aufweisen.

Die Orientierung des Probekörpers und der Werkstoffzustand bleiben Bestandteil des Ergebnisses. ASTM A673/A673M legt Probenahmeverfahren für die longitudinale Charpy-V-Kerbschlagprüfung von Baustahl fest und unterscheidet zwischen Prüfhäufigkeiten für die Schmelzenprüfung und für die Stückprüfung. Eine detaillierte Kraftkurve von einer einzigen Probenahmestelle kann das Verhalten in jeder Orientierung, bei jeder Blechdicke, in jedem Schweißnahtbereich oder bei jedem Wärmebehandlungszustand nicht bestimmen.

Die von NIST 2011 durchgeführte Bewertung von Charpy-Probekörpern mit Seitenkerben ergab, dass Seitenkerben bei Energien im oberen Plateau die Ansammlung plastischer Verformung verringern und eine Aufspaltung fördern, wobei die Intensität der Aufspaltung in der Nähe der Übergangstemperatur vom duktilen zum spröden Verhalten am größten ist. Derartige Änderungen der Geometrie können den Kraftverlauf und das Bruchaussehen verändern. Bei Vergleichen von Datensätzen sollten sie daher nicht als geringfügige Modifikation behandelt werden.

Grenzen der Umrechnung instrumentierter Daten in Bruchzähigkeit

Instrumentierte Charpy-Daten können bruchmechanische Berechnungen unterstützen; eine Umrechnung erfordert jedoch ein festgelegtes analytisches Verfahren, eine validierte Kalibrierung sowie Annahmen über Rissgeometrie, Verformung, Belastungsgeschwindigkeit und Werkstoffverhalten. Ein Kraft-Zeit-Verlauf allein liefert weder einen gültigen kritischen Spannungsintensitätsfaktor $K_{\mathrm{Ic}}$ noch einen gültigen $J_{\mathrm{Ic}}$-Wert für den ebenen Dehnungszustand.

Eine standardisierte Bruchzähigkeitsprüfung verwendet einen durch Ermüdung vorgerissenen Probekörper, festgelegte Abmessungen, eine Messung der Rissgröße, Gültigkeitsanforderungen sowie Kriterien für die Bruchzähigkeit unter ebenem Dehnungszustand oder für elastisch-plastische Bruchzähigkeit. Eine hergestellte Charpy-V-Kerbe weist einen anderen Kerbradius, eine andere Restquerschnittsgeometrie, eine andere Belastungsanordnung und häufig einen anderen Zwangszustand auf. Die dynamische Belastung verändert zusätzlich das Werkstoffverhalten. Selbst wenn ein instrumentierter Verlauf eine Schätzung der Einleitungsenergie oder einer mit dem Risswachstum verbundenen Kraft ermöglicht, ist diese Schätzung nicht automatisch mit der Bruchzähigkeit austauschbar.

Die Charpy-Energie kann über festgelegte Korrelationen mit einer unteren Grenzschätzung der Bruchzähigkeit ferritischer Stähle in Beziehung gesetzt werden; für das Verhalten im unteren Plateau, im Übergangsbereich und im oberen Plateau gelten jedoch jeweils unterschiedliche Beziehungen. Temperatur, Kerbgeometrie, Probekörperorientierung, Bruchaussehen und Werkstoffzustand müssen zusammen mit dem Zahlenwert angegeben werden. Das Rissarretierungsverhalten ist wiederum eine eigenständige Fragestellung: Die Fallgewichts-Reißprüfung charakterisiert die Rissarretierung von Pipelinestahl anhand der Anteile duktilen Scherbruchs und Spaltbruchs über den Schlagtemperaturbereich, anstatt ihr Ergebnis an die Stelle von Charpy- oder Bruchzähigkeitsdaten zu setzen.

Die instrumentierte Prüfung liefert daher zusätzliche Erkenntnisse, jedoch keinen universell gültigen Umrechnungsfaktor. Die aussagekräftigste Interpretation ergibt sich, wenn die Einrichtung überprüft, die Signale sauber und kalibriert, der Probekörper und die Temperatur dokumentiert und das Kriterium für Rissinitiierung oder Rissausbreitung ausdrücklich angegeben wurden.

Von der Charpy-Energie zur Bruchzähigkeit und Rissarretierung

Die Charpy-Energie ist kein Bruchzähigkeitswert. Sie ist die Energie, die absorbiert wird, wenn ein genormter gekerbter Probekörper unter dem Aufprall eines Pendels bei hoher Belastungsgeschwindigkeit bricht. NIST beschreibt das Ergebnis als indirektes Maß für die Schlagzähigkeit, nicht als direkte Messung eines Parameters an der Rissspitze wie $K_{\mathrm{IC}}$, $J_{\mathrm{IC}}$ oder der Rissspitzenöffnung. Diese Unterscheidung ist wichtig, weil ein kleiner Charpy-Probestab und ein großes rissbehaftetes Bauteil unterschiedlichen Zwangsbedingungen, Rissgrößen, Spannungszuständen und Abmessungen der plastischen Zone ausgesetzt sind.

ASTM E23 behandelt sowohl Charpy-Aufprallprüfungen am einfachen Balken als auch Izod-Aufprallprüfungen am Kragträger, während ISO 148-1:2016 die Pendelprüfung mit Charpy-V- und -U-Kerbe für metallische Werkstoffe festlegt. Die instrumentierte Aufprallprüfung ist davon getrennt: ISO 14556:2023 behandelt instrumentierte Charpy-V-Kerbprüfungen und erfasst während des Bruchs Kraft, Weg und Energie. Auch die Überprüfung der Prüfmaschine beeinflusst die Aussagekraft des Ergebnisses. ASTM E23 und ISO 148-2 verlangen regelmäßige Überprüfungen, einschließlich Prüfungen mit zertifizierten Referenzprobekörpern, und NIST betreibt ein Programm zur Überprüfung von Charpy-Prüfmaschinen.

Der angegebene Joule-Wert beschreibt daher einen bestimmten Probekörper, eine bestimmte Kerbe, Orientierung, Temperatur, Prüfgeschwindigkeit und einen bestimmten Werkstoffzustand. ASTM A673/A673M enthält eine weitere Einschränkung für Baustahl: Die Norm legt Probenahmeverfahren für die Charpy-V-Kerbprüfung in Längsrichtung fest und unterscheidet bei den Prüfintervallen zwischen Wärme- und Stückprüfung. Die Probenahme ist Teil der Bedeutung des Ergebnisses. Ein Wert von einem ausgewählten Probekörper kann nicht automatisch jede Platte, jeden schweißnahe Bereich, jede Walzrichtung oder jede Betriebstemperatur repräsentieren.

Bedingte Korrelationen für ferritische Stähle

Für ferritische Stähle kann die Charpy-Energie eine Schätzung der unteren Grenze der Bruchzähigkeit unterstützen, wenn die Korrelation für die betreffende Stahlklasse und das relevante Bruchregime ermittelt wurde. Dies ist nützlich, weil ferritische Stähle bei sinkender Temperatur üblicherweise einen Übergang von duktilem zu sprödem Verhalten zeigen. Ihre Schlagenergie-Kurve kann ein unteres Plateau, einen Übergangsbereich und ein oberes Plateau aufweisen, wobei sich der Zusammenhang zwischen absorbierter Energie und Bruchwiderstand über diese Bereiche hinweg verändert.

Für das Verhalten im unteren Plateau, im Übergangsbereich und im oberen Plateau gelten unterschiedliche Zusammenhänge. Eine für das obere Plateau ausgewählte Korrelation darf nicht auf ein Ergebnis aus dem unteren Plateau angewendet werden, nur weil beide Werte in Joule angegeben sind. Im Übergangsbereich können bereits kleine Temperaturänderungen große Veränderungen der Bruchart und der gemessenen Energie bewirken; daher ist die Temperatur, bei der der Charpy-Wert ermittelt wurde, von entscheidender Bedeutung. Das Bruchaussehen liefert einen zweiten Hinweis: Ein überwiegend spaltbruchartiger Bruch absorbiert im Allgemeinen weniger Energie, während duktiles Reißen gewöhnlich größere plastische Verformungen und eine höhere absorbierte Energie verursacht.

Selbst innerhalb der Gruppe der ferritischen Stähle können die chemische Zusammensetzung, die Korngröße, das Festigkeitsniveau, die Wärmebehandlung, die Plattendicke, die Walzrichtung, die Schärfe der Kerbe sowie Bestrahlung oder thermische Alterung den Zusammenhang verändern. Eine Korrelation ist daher ein bedingtes Modell und keine universelle Umrechnung von Joule in Bruchzähigkeit. Sie kann eine konservative Screening-Schätzung für eine definierte Werkstoffpopulation, einen bestimmten Temperaturbereich, eine bestimmte Probekörperorientierung und eine festgelegte Gültigkeitsbedingung liefern. Sie macht aus einem routinemäßigen Charpy-Ergebnis jedoch keine Messung der Bruchzähigkeit unter Ebenenverformungsbedingungen.

Auch der Probekörper selbst kann die Interpretation beeinflussen. In einer 2011 veröffentlichten NIST-Studie zeigten seitlich gekerbte Charpy-Probekörper bei Energien im oberen Plateau eine geringere Ansammlung plastischer Verformung und eine stärkere Spaltbildung; die Ausprägung der Spaltbildung war in der Nähe der Übergangstemperatur vom duktilen zum spröden Verhalten am größten. Dieser Befund unterstreicht den entscheidenden Punkt: Selbst eine veränderte Charpy-Geometrie kann den Bruchvorgang verändern und darf nicht als austauschbar mit einem gewöhnlichen V-Kerb-Probekörper behandelt werden.

Schätzungen der unteren Grenze und ihre Grenzen

Eine Schätzung der unteren Grenze soll vermeiden, dass ein größerer Bruchwiderstand beansprucht wird, als durch die vorliegenden Nachweise gestützt wird. Sie kann für eine vorläufige Bewertung, für Integritätsbewertungen mit festgelegten Verfahren oder für Situationen angemessen sein, in denen eine Norm oder behördliche Praxis ausdrücklich eine auf Charpy-Werten beruhende Beziehung zulässt. Die Schätzung muss ihre Bedingungen beibehalten: Werkstofffamilie, Bereich der Streckgrenze, Orientierung, Temperatur, Kerbkonfiguration, Energiebereich und der zu schätzende Bruchzähigkeitsparameter.

Die untere Grenze ist keine Garantie dafür, dass ein Bauteil jedem Riss widersteht. Charpy-Probekörper sind klein, und ihr Bruch kann unter weniger ausgeprägten Zwangsbedingungen erfolgen als bei einem dicken Bauteil mit einem scharfen Ermüdungsriss. Ein Riss in einem Bauteil kann daher einem anderen Spannungsfeld ausgesetzt sein als die bearbeitete Charpy-Kerbe. Dicke, Eigenspannungen, Schweißnahtfehler, Belastungsgeschwindigkeit, Rissgröße und zweiachsiger Spannungszustand können die Aussagekraft einer einfachen Energiekorrelation sämtlich verringern. Ein bei Raumtemperatur gemessener Wert sagt außerdem wenig über das Verhalten bei einer niedrigeren Betriebstemperatur aus, sofern die Übergangskurve nicht ermittelt wurde.

Bruchaussehen und Daten zur Übergangstemperatur sollten den Energiewert immer dann ergänzen, wenn das Risiko eines Sprödbruchs von Bedeutung ist. Ein einzelnes Ergebnis aus dem oberen Plateau kann einen steilen Übergang bei niedrigeren Temperaturen verdecken; ein Ergebnis aus dem unteren Plateau kann auf einen Zustand hinweisen, in dem der Spaltbruch bereits maßgeblich ist. Eine direkte Bruchzähigkeitsprüfung bleibt erforderlich, wenn die Bewertung von einem qualifizierten $K$-, $J$- oder Rissspitzenöffnungswert unter festgelegten Zwangsbedingungen und Gültigkeitsanforderungen abhängt.

Unterschiede der Fallgewicht-Reißprüfung

Die Fallgewicht-Reißprüfung beantwortet eine andere Frage als die Charpy-Prüfung. Sie wurde für das Rissarrestverhalten von Pipeline-Stählen entwickelt und nicht lediglich für die Einstufung kleiner Probekörper anhand ihrer absorbierten Aufprallenergie. Ein vergleichsweise langer, gekerbter Streifen wird unter kontrollierten Aufprallbedingungen belastet, und die entstehende Bruchfläche wird über einen Temperaturbereich hinweg untersucht. Die Bewertung konzentriert sich auf die Anteile von duktilem Scherbruch und Spaltbruch sowie darauf, ob ein sich ausbreitender Bruch arretiert bleibt, wenn sich die Bruchart verändert.

Bei der Charpy-Prüfung wird ermittelt, wie viel Energie ein genormter gekerbter Stab vor dem Bruch absorbiert; zusätzlich können absorbierte Energie, seitliche Aufweitung und das Aussehen des Scherbruchanteils angegeben werden. Die Fallgewicht-Reißprüfung untersucht, wie sich ein fortschreitender Bruch in Pipeline-Stahl verhält und wie sich die Bruchfläche zwischen duktilem Reißen und Spaltbruch verändert. Beide Prüfungen können einen Übergang vom duktilen zum spröden Verhalten erkennen lassen, doch ihre Geometrien, Probekörperabmessungen, Belastungsreaktionen und technischen Kenngrößen unterscheiden sich.

Verwenden Sie die Charpy-Prüfung, um das Schlagenergie- und Übergangsverhalten des festgelegten Werkstoffs und der festgelegten Orientierung zu bestimmen. Verwenden Sie eine zulässige Charpy-Korrelation nur für eine ausdrücklich angegebene Schätzung der unteren Grenze der Bruchzähigkeit. Verwenden Sie die Fallgewicht-Reißprüfung, wenn die technische Fragestellung den Langstreckenbruch und die Rissarretierung in Pipeline-Stahl betrifft. Keine der beiden Prüfungen kann die jeweils andere Frage allein beantworten.

Quellen

1. [1]International Organization for Standardization. ISO 148-1:2016 Metallic materials — Charpy pendulum impact test — Part 1: Test method. ISO standard, 2016. https://www.iso.org/cms/render/live/en/sites/isoorg/contents/data/standard/06/38/63802.html
2. [2]ASTM International. ASTM A673/A673M: Standard Specification for Sampling Procedure for Impact Testing of Structural Steel. ASTM International standard, 2025. https://store.astm.org/a0673_a0673m-25.html
3. [3]National Institute of Standards and Technology. Charpy Machine Verification Program. NIST program resource, 2024. https://www.nist.gov/programs-projects/charpy-machine-verification-program
4. [4]International Organization for Standardization. ISO 14556:2023 Metallic materials — Charpy V-notch pendulum impact test — Instrumented test method. ISO standard, 2023. https://www.iso.org/cms/render/live/en/sites/isoorg/contents/data/standard/08/21/82164.html
5. [5]ASTM International. ASTM E23: Standard Test Methods for Notched Bar Impact Testing of Metallic Materials. ASTM International standard, 2025. https://store.astm.org/standards/e23
6. [6]TWI. What fracture toughness can I assume for a ferritic steel if I know that it meets a certain Charpy energy requirement?. TWI Technical Knowledge, 2024. https://www.twi-global.com/technical-knowledge/faqs/faq-what-fracture-toughness-can-i-assume-for-a-ferritic-steel-if-i-know-that-it-meets-a-certain-charpy-energy-requirement
7. [7]National Institute of Standards and Technology. Side-Grooved Charpy Impact Testing: Assessment of Splitting and Fracture Properties of High-Strength Steels. NIST publication, 2011. https://www.nist.gov/publications/side-grooved-charpy-impact-testing-assessment-splitting-and-fracture-properties-high
8. [8]TWI. What is the drop-weight tear test?. TWI Technical Knowledge, 2024. https://www.twi-global.com/technical-knowledge/faqs/faq-what-is-the-drop-weight-tear-test