Werkstoffprüfung und Schadensanalyse – Kerbschlagversuche einordnen
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Werkstoffprüfung und Schadensanalyse – Kerbschlagversuche einordnen
Kurzbeschreibung: Du ordnest den Kerbschlagbiegeversuch nach Charpy in die Werkstoffprüfung und Schadensanalyse ein. Im Mittelpunkt stehen Zähigkeit, absorbierte Energie und der Einfluss der Temperatur auf das Bruchverhalten metallischer Werkstoffe.
Zielgruppe: Ausbildung in Metalltechnik, Werkstoffprüfung, Produktion, Instandhaltung und Qualitätssicherung.
Sicherheitsgrenze dieses Kurses: Ein Quiz, ein Video oder ein Onlinekurs ersetzt weder die betriebliche Unterweisung noch praktische Qualifikation, Betriebsanweisung, Gefährdungsbeurteilung oder Freigabe. Einen realen Pendelschlagversuch führst Du nur durch, wenn Du dafür unterwiesen, qualifiziert und betrieblich autorisiert bist.
Einleitung
Beim Charpy-Versuch trifft ein Pendelhammer auf eine gekerbte Probe. Gemessen wird die beim Bruch absorbierte Energie. Für viele ferritische Stähle kann diese Energie bei sinkender Prüftemperatur deutlich abnehmen. Genau dieser Zusammenhang ist für Bauteile wichtig, die Kälte, Kerben und schnellen Belastungen ausgesetzt sind.
Dein Lernziel: Du kannst einen Kerbschlagversuch fachlich einordnen, Messwerte temperaturbezogen lesen, Hinweise auf zähes oder sprödes Verhalten erkennen und bei unsicheren Prüfbedingungen richtig stoppen und eskalieren.
Ausbildungsfall: Eine Freigabe bei Kälte?
Ein Betrieb fertigt geschweißte Halterungen für eine Außenanlage. Eine neue Stahlcharge soll bewertet werden. Für den Lernfall liegen Charpy-V-Messwerte aus mehreren Prüftemperaturen vor.
Wichtig: Die folgenden Messwerte sind ein didaktischer Beispieldatensatz. Sie sind keine realen Abnahmewerte und enthalten bewusst kein Freigabekriterium.
Messwertansicht
| Prüftemperatur | Probe A | Probe B | Probe C | Mittelwert |
|---|---|---|---|---|
| +20 °C | 92 J | 88 J | 95 J | 91,7 J |
| 0 °C | 61 J | 55 J | 58 J | 58,0 J |
| −20 °C | 27 J | 31 J | 24 J | 27,3 J |
| −40 °C | 12 J | 10 J | 14 J | 12,0 J |
Erster Befund: Mit sinkender Temperatur fällt die absorbierte Energie im Beispieldatensatz stark ab. Das ist ein Warnsignal für temperaturabhängiges Zähigkeitsverhalten. Eine Bauteilfreigabe folgt daraus noch nicht.
Gestufte Hilfen zum Ausbildungsfall
| Hilfestufe | Hinweis |
|---|---|
| Hilfe 1 | Vergleiche nur Temperatur und Mittelwert. Welche Richtung hat der Trend? |
| Hilfe 2 | Ordne hohe Energien einer Hochlage und niedrige Energien einer Tieflage zu. Dazwischen liegt der Übergangsbereich. |
| Hilfe 3 | Für eine Freigabe brauchst Du zusätzlich das geforderte Prüfkriterium, gültige Prüfbedingungen, eindeutige Probenzuordnung und die betriebliche Entscheidungsbefugnis. |
Kurze Lerneinheiten
Lerneinheit 1: Was misst der Versuch?
Der Pendelhammer besitzt vor dem Schlag eine definierte potenzielle Energie. Nach dem Bruch steigt er weniger hoch. Aus der Energiedifferenz wird die vom Prüfkörper absorbierte Energie bestimmt.
Bei einer V-Kerbe wird häufig die Bezeichnung KV verwendet. Die Einheit ist Joule. Der Wert ist kein universeller, von allen Prüfbedingungen unabhängiger Werkstoffkennwert. Probe, Kerbe, Prüftemperatur, Entnahmerichtung und Prüfaufbau müssen zur Auswertung passen.
Lerneinheit 2: Probe, Kerbe und Schlag
Die übliche Vollprobe für metallische Werkstoffe ist 55 mm lang und besitzt einen Querschnitt von 10 mm × 10 mm. Die genaue Geometrie, Kerbe und Toleranzen sind der anzuwendenden Norm und Prüfanweisung zu entnehmen.
Die Kerbe erzeugt eine definierte Spannungskonzentration. Beim Charpy-Aufbau trifft der Hammer die der Kerbe gegenüberliegende Probenseite.
Lerneinheit 3: Zäh oder spröde?
Zähes Verhalten bedeutet: Vor und während des Bruchs kann vergleichsweise viel Energie durch plastische Verformung aufgenommen werden.
Sprödes Verhalten bedeutet: Der Bruch erfolgt mit geringer plastischer Verformung und vergleichsweise niedriger absorbierter Energie.
Ein einzelner Messwert oder ein einzelnes Bruchbild reicht nicht für jede technische Entscheidung. In der Schadensanalyse werden Messwert, Bruchfläche, Werkstoffzustand, Geometrie, Belastung und Einsatzbedingungen zusammen betrachtet.
Lerneinheit 4: Warum die Prüftemperatur so wichtig ist
Viele ferritische Stähle zeigen einen ausgeprägten Übergang zwischen sprödem und zähem Verhalten. Typisch ist eine S-förmige Kurve der absorbierten Energie über der Temperatur.
Tieflage: niedrige absorbierte Energie und überwiegend sprödes Verhalten.
Übergangsbereich: starke Änderung mit der Temperatur; Mischbruch ist möglich und Messwerte können stärker streuen.
Hochlage: hohe absorbierte Energie und überwiegend duktiles Verhalten.
Eine Übergangstemperatur ist nur sinnvoll zusammen mit ihrer Definition oder ihrem Kriterium. Ein bestimmter Joulewert darf nicht ohne die dafür geltende Spezifikation als allgemeine Freigabegrenze verwendet werden.
Lerneinheit 5: Bruchflächen als Hinweis
Matte, faserige beziehungsweise scherend verformte Bereiche sprechen eher für duktiles Bruchverhalten. Helle, kristallin wirkende Spaltbruchbereiche sprechen eher für sprödes Verhalten. Im Übergangsbereich können beide Erscheinungen gemeinsam auftreten.
Schadensanalyse-Regel: Die Bruchfläche liefert Hinweise, aber keine alleinige Freigabeentscheidung.
Lerneinheit 6: Einordnen statt überdeuten
Ein Charpy-Ergebnis beantwortet vor allem die Frage, wie viel Energie eine definierte gekerbte Probe unter festgelegten Prüfbedingungen beim Schlag absorbiert. Es ersetzt keine vollständige Bauteilauslegung und keine bruchmechanische Bewertung.
Für eine betriebliche Entscheidung musst Du immer klären: Passt die Probe zum Auftrag? Passt die Temperatur? Ist die Maschine gültig überprüft? Gibt es ein verbindliches Abnahmekriterium? Bist Du zur Entscheidung befugt?
Gefahrenerkennung und sichere Entscheidung
Beim Kerbschlagversuch bestehen unter anderem Gefährdungen durch den schwingenden Pendelhammer, weggeschleuderte Bruchstücke sowie Medien und Hilfsmittel zum Erwärmen oder Kühlen der Probe. NIST weist ausdrücklich auf diese Gefährdungsgruppen hin und beschreibt dort Prüfungen nur durch geschultes, erfahrenes Personal.
| Beobachtung | Sichere Entscheidung | Eskalation |
|---|---|---|
| Person befindet sich im Pendelbereich | Pendel nicht auslösen | Bereich räumen lassen und Prüfverantwortliche informieren |
| Schutzhaube, Abschirmung oder Verriegelung ist beschädigt | Prüfung nicht starten | Anlage nach Betriebsanweisung sichern und zuständige Fachkraft informieren |
| Bruchstücke könnten ungeschützt austreten | Prüfung nicht starten | Vorgesehene Schutzeinrichtung prüfen lassen |
| Kühl- oder Wärmemedium ist unbekannt oder die vorgeschriebene PSA fehlt | Nicht improvisieren | Sicherheitsdaten, Betriebsanweisung und verantwortliche Person heranziehen |
| Probenkennung ist unklar | Messwert nicht der Charge zuordnen | Prüfauftrag und Kennzeichnung klären |
| Prüftemperatur ist nicht belastbar dokumentiert | Ergebnis nicht freigeben | Temperaturführung und Prüfanweisung prüfen lassen |
| Ungewöhnliches Geräusch, sichtbare Beschädigung oder auffällige Maschine | Prüfung abbrechen beziehungsweise nicht beginnen | Prüfmaschine sperren lassen, soweit dies die Betriebsanweisung vorsieht, und Fachverantwortliche informieren |
Merksatz: Unsicherheit bei Sicherheit, Probenidentität, Temperatur oder Maschinenzustand ist kein Grund zum Raten, sondern ein Grund zum Stoppen und Eskalieren.
Basis-, Anwendungs- und Transferaufgaben mit begründetem Feedback
Basis
Aufgabe: Beschreibe den Trend im Beispieldatensatz von +20 °C bis −40 °C.
Begründetes Feedback: Die mittlere absorbierte Energie sinkt von 91,7 J auf 12,0 J. Damit nimmt die Fähigkeit der Probe, unter diesen Prüfbedingungen Energie aufzunehmen, stark ab. Die Temperatur ist hier also ein wesentlicher Einflussfaktor.
Anwendung
Aufgabe: Ein Kollege möchte die Messwerte bei +20 °C verwenden, um den Einsatz des Bauteils bei −20 °C freizugeben. Beurteile die Idee.
Begründetes Feedback: Das ist nicht ausreichend. Der Beispieldatensatz zeigt gerade, dass sich die absorbierte Energie mit der Temperatur stark verändert. Für die Freigabe brauchst Du den geforderten Nachweis bei der maßgebenden Bedingung sowie ein verbindliches Akzeptanzkriterium.
Transfer
Aufgabe: Während der Vorbereitung fällt auf, dass die Schutzabschirmung beschädigt ist. Gleichzeitig drängt die Produktion auf ein schnelles Ergebnis. Wie entscheidest Du?
Begründetes Feedback: Die Prüfung wird nicht gestartet. Zeitdruck ändert die Gefährdung nicht. Die Schutzfunktion muss gemäß betrieblicher Vorgabe wiederhergestellt und die zuständige Fachkraft eingebunden werden. Erst nach Freigabe darf weitergearbeitet werden.
Einordnung in Werkstoffprüfung und Schadensanalyse
| Frage | Was der Kerbschlagversuch beitragen kann | Was zusätzlich nötig sein kann |
|---|---|---|
| Wie temperaturabhängig ist das Zähigkeitsverhalten? | Vergleich von absorbierter Energie bei mehreren Temperaturen | Werkstoffspezifikation und Einsatztemperatur |
| Gibt es Hinweise auf sprödes Bruchverhalten? | Niedrige Energie und Bruchflächenmerkmale | Fraktografie, Gefügeuntersuchung und Belastungsanalyse |
| Ist ein Bauteil sicher freigegeben? | Nur ein Teil des Nachweises | Konstruktionsanforderungen, Normen, Berechnung und betriebliche Freigabe |
| Ist die Prüfung gültig? | Plausibilitätsprüfung der Messwerte | Normgerechte Probe, Temperatur, Maschinenüberprüfung und Dokumentation |
Fachquellen und Normstand
Stand der Recherche: 4. Oktober 2026. DIN Media kennzeichnet die DIN EN ISO 148-1:2017-05 weiterhin als aktuell. Sie übernimmt ISO 148-1:2016 für den Charpy-Kerbschlagbiegeversuch an metallischen Werkstoffen. ISO führt zugleich ISO/FDIS 148-1, Edition 4 als in der Genehmigungsphase befindlichen Nachfolger. Für reale Prüfaufträge gilt immer die vom Betrieb, Kunden oder Regelwerk geforderte Ausgabe.
| Quelle | Einsatz im Kurs |
|---|---|
| DIN Media: DIN EN ISO 148-1:2017-05 | aktueller deutscher Normstatus und Anwendungsbereich |
| ISO 148-1:2016 | offizieller internationaler Normstatus und Prüfprinzip |
| ISO/FDIS 148-1 | laufende Revision, Edition 4 |
| NIST Charpy Verification Program | Sicherheit, Maschinenüberprüfung und Prüfbedingungen |
| NIST Technical Note 2158 | Übergangskurven, Hochlage, Tieflage und Übergangsbereich |
| TWI: What is a Charpy Impact Test? | Einordnung von Zähigkeit, Temperatur und Bruchfläche |
| Wikipedia: Kerbschlagbiegeversuch | Überblick und weiterführende Begriffe |
Medien und Rechte
Die eingebundenen Wikimedia-Commons-Dateien wurden anhand ihrer Dateibeschreibungsseiten auf Nutzungsrechte geprüft. Die YouTube-Videos werden nur eingebettet; ihre Rechte verbleiben bei den jeweiligen Anbietenden. Für die YouTube-Inhalte wird hier kein OER-Lizenzstatus behauptet.
| Medium | Rechte laut Wikimedia Commons | Lernfunktion |
|---|---|---|
| Charpy V-notch test.svg | CC BY-SA 4.0 | Prinzip des V-Kerb-Versuchs |
| Charpy impact test sketch.svg | Public Domain durch Rechteinhaber | Energieprinzip des Pendels |
| Eprouvette charpy schematique.svg | unter anderem CC BY-SA 3.0 | Probenform |
| Charpy-Kerbschlagprüfung.jpg | CC BY-SA 3.0 DE | reale Probenhalterung und Pendel |
| Charpy impact tester.jpg | CC BY-SA 3.0 | Prüfmaschine |
| Proba udarnosci probki 03.jpg | CC BY-SA 3.0 | reale Probe nach Charpy-Prüfung |
| Steilabfall Mischbruch Kerbschlagbiegeversuch Charpy.PNG | CC0 1.0 | Temperatur-Übergangskurve |
| Bestimmung des prozentualen Gleitbruchanteils.PNG | CC BY 3.0 beziehungsweise GFDL | Bruchflächenbeurteilung |
Interaktive Aufgaben
Quiz: Teste Dein Wissen
Was wird beim Charpy-Kerbschlagversuch primär bestimmt? (Die beim Bruch absorbierte Energie) (!Die elektrische Leitfähigkeit) (!Die chemische Zusammensetzung) (!Die Oberflächenhärte allein)
Welche Tendenz zeigen viele ferritische Stähle bei stark sinkender Prüftemperatur? (Die absorbierte Energie kann deutlich abnehmen) (!Die absorbierte Energie wird immer temperaturunabhängig) (!Die Probe wird grundsätzlich weicher) (!Die Kerbe verliert ihre Wirkung vollständig)
Was kennzeichnet den Übergangsbereich einer typischen Charpy-Temperaturkurve? (Eine starke Änderung des Bruchverhaltens mit der Temperatur) (!Eine immer exakt konstante Energie) (!Eine vollständige Unabhängigkeit von der Probe) (!Das Fehlen jedes Bruchs)
Warum besitzt die Charpy-Probe eine definierte Kerbe? (Sie erzeugt eine definierte Spannungskonzentration) (!Sie erhöht nur das Probengewicht) (!Sie verhindert den Bruch) (!Sie misst die Temperatur)
Was ist bei einer beschädigten Schutzabschirmung die richtige Entscheidung? (Die Prüfung nicht starten und die zuständige Stelle informieren) (!Die Prüfung schnell ohne Abschirmung durchführen) (!Nur den Pendelweg verkürzen) (!Die Beschädigung nach der Schicht melden und weiterprüfen)
Was tust Du bei unklarer Probenkennzeichnung? (Die Zuordnung stoppen und die Identität klären) (!Den wahrscheinlichsten Werkstoff eintragen) (!Nur den höchsten Messwert verwenden) (!Die Probe ohne Dokumentation prüfen)
Was bedeutet ein niedriger Charpy-Energiewert zunächst sicher? (Die Probe hat unter den festgelegten Prüfbedingungen wenig Energie absorbiert) (!Das gesamte Bauteil ist automatisch unbrauchbar) (!Der Werkstoff besitzt immer eine zu geringe Härte) (!Die chemische Analyse ist falsch)
Warum muss die Prüftemperatur dokumentiert werden? (Weil die absorbierte Energie temperaturabhängig sein kann) (!Weil die Temperatur nur die Farbe der Probe bestimmt) (!Weil die Temperatur die Probenkennung ersetzt) (!Weil jeder Werkstoff bei jeder Temperatur gleich reagiert)
Welche Bezeichnung passt zur Hochlage einer typischen Übergangskurve? (Hohe absorbierte Energie und überwiegend duktiles Verhalten) (!Niedrige absorbierte Energie und überwiegend sprödes Verhalten) (!Keine messbare Energie) (!Immer vollständiger Spaltbruch)
Was kann dieses Quiz nicht ersetzen? (Betriebliche Unterweisung praktische Qualifikation und Freigabe) (!Das Wiederholen von Fachbegriffen) (!Das Lesen einer Lernseite) (!Das Vergleichen von Übungswerten)
Memory
| Kerbe | definierte Spannungskonzentration |
| Pendelhammer | schlagartige Beanspruchung |
| KV | absorbierte Energie bei V-Kerbe |
| Tieflage | niedrige absorbierte Energie |
| Hochlage | hohe absorbierte Energie |
| Übergangsbereich | starke Temperaturabhängigkeit |
| Eskalation | unsicheren Zustand stoppen und melden |
Drag and Drop
| Ordne die richtigen Begriffe zu. | Thema |
|---|---|
| Schutzabschirmung | Schutz vor Bruchstücken |
| Tiefe Prüftemperatur | mögliche Versprödung ferritischer Stähle |
| V-Kerbe | definierte Kerbstelle |
| Joule | Einheit der absorbierten Energie |
| Unklare Probenkennung | Bewertung stoppen und klären |
Kreuzworträtsel
| Pendelhammer | Welches Bauteil schlägt im Charpy-Versuch auf die Probe? |
| Zähigkeit | Welche Eigenschaft beschreibt die Fähigkeit Energie bis zum Bruch aufzunehmen? |
| Kerbe | Welche Formstelle erzeugt eine definierte Spannungskonzentration? |
| Tieflage | Wie heißt der Bereich niedriger absorbierter Energie einer Übergangskurve? |
| Mischbruch | Wie heißt ein Bruch mit duktilen und spröden Anteilen? |
| Temperatur | Welche Prüfgröße beeinflusst bei vielen Stählen das Zähigkeitsverhalten stark? |
LearningApps
Lückentext
Offene Aufgaben
Leicht
- Versuchsbild lesen: Beschrifte auf einer Skizze Pendel, Probe, Kerbe, Widerlager und Schlagrichtung.
- Messwerte vergleichen: Markiere im Beispieldatensatz den höchsten und niedrigsten Mittelwert und formuliere den Temperaturtrend in zwei Sätzen.
- Gefahrenkarte: Erstelle eine Bildkarte mit mindestens vier Gefahrenbereichen rund um ein Pendelschlagwerk, ohne eine reale Maschine zu bedienen.
- Bruchbilder unterscheiden: Ordne vorgegebene Bilder den Begriffen duktil, spröde und gemischt zu und notiere jeweils ein sichtbares Indiz.
Standard
- Übergangskurve erstellen: Übertrage den didaktischen Datensatz in ein Energie-Temperatur-Diagramm und kennzeichne Tieflage, Übergangsbereich und Hochlage vorsichtig als Lerninterpretation.
- Prüfauftrag prüfen: Entwirf eine Checkliste für Probenkennung, Temperatur, Maschinenstatus, Prüfanweisung und Ergebnisdokumentation.
- Schadenshypothese: Formuliere zu einem kalt gebrochenen Stahlbauteil drei mögliche Einflussfaktoren und trenne Beobachtung von Hypothese.
- Sicherheitsdialog: Entwickle ein kurzes Rollenspiel zwischen Auszubildendem und Prüfverantwortlichem, in dem eine beschädigte Schutzabschirmung erkannt und korrekt eskaliert wird.
Schwer
- Einsatztemperatur bewerten: Begründe, warum ein guter Charpy-Wert bei Raumtemperatur allein keine ausreichende Aussage für einen deutlich kälteren Einsatz liefert.
- Streuung untersuchen: Erkläre, warum einzelne Werte im Übergangsbereich stärker streuen können und welche Folgen das für vorschnelle Freigaben hat.
- Normstatus recherchieren: Vergleiche den aktuellen Status von DIN EN ISO 148-1 und ISO/FDIS 148-1 und dokumentiere Datum, Quelle und Konsequenz für eine betriebliche Prüfanweisung.
- Transferprojekt: Entwickle für einen fiktiven Schadensfall einen Untersuchungsplan, der Charpy-Prüfung, Bruchflächenanalyse, Werkstoffzustand, Einsatztemperatur und sichere Eskalationspunkte verbindet.
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Lernkontrolle
- Transfer 1: Ein Stahl zeigt bei +20 °C hohe, bei −30 °C niedrige Charpy-Energien. Erkläre, warum dieselbe Bauteilgeometrie bei Kälte kritischer bewertet werden kann, ohne aus dem Charpy-Wert allein eine Bauteilbruchlast abzuleiten.
- Transfer 2: Zwei Labore erhalten unterschiedliche Werte am angeblich gleichen Werkstoff. Entwickle eine Reihenfolge zur Prüfung von Probengeometrie, Entnahmerichtung, Temperatur, Maschinenzustand und Dokumentation.
- Transfer 3: Eine Schutzvorrichtung funktioniert nicht, der Auftrag ist jedoch dringend. Begründe die sichere Entscheidung und beschreibe die notwendige Eskalation.
- Transfer 4: Ein reales Bruchstück wirkt glänzend und wenig verformt. Formuliere, welche Hypothese daraus entsteht und welche zusätzlichen Nachweise Du vor einer Ursache-Festlegung verlangen würdest.
- Transfer 5: Ein Messwert erfüllt einen genannten Joulewert, aber die Probenkennung ist nicht eindeutig. Begründe, warum trotzdem keine Freigabe erfolgen darf.
- Transfer 6: Erkläre, weshalb eine Übergangstemperatur ohne Angabe des verwendeten Kriteriums missverständlich sein kann.
Lernnachweis
Für einen Lernnachweis zu diesem Thema solltest Du zeigen können, dass Du:
- das Prüfprinzip des Charpy-Kerbschlagversuchs fachlich korrekt erklärst,
- absorbierte Energie und Prüftemperatur gemeinsam interpretierst,
- Tieflage, Übergangsbereich und Hochlage einer typischen Kurve unterscheidest,
- eine Bruchfläche als Hinweis und nicht als alleinigen Freigabenachweis behandelst,
- Messwert, Prüfbedingung und Probenidentität voneinander trennst,
- Gefährdungen durch Pendel, Bruchstücke und Temperiermedien erkennst,
- bei defekten Schutzeinrichtungen oder unklaren Prüfbedingungen die Prüfung stoppst und korrekt eskalierst,
- den Unterschied zwischen Lernerfolg und betrieblicher Prüfberechtigung erklärst,
- einen Charpy-Befund in eine breitere Schadensanalyse einordnest.
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