Ein Kerbschlagzeugnis dokumentiert die Ergebnisse von Charpy-V-Kerb-Kerbschlagprüfungen an Proben, die aus einem Werkstoff oder einer Schweißnaht entnommen wurden. Es quantifiziert den Widerstand des Werkstoffs gegen Sprödbruch bei einer bestimmten Tieftemperatur — eine kritische Eigenschaft für Druckbehälter, Rohrleitungen und Bauteile, die unterhalb der Umgebungstemperatur betrieben werden.
Kurze Antwort
Quick Answer
Ein Charpy-Kerbschlagzeugnis gibt die absorbierte Energie (in Joule oder ft-lbs) an, die gemessen wird, wenn eine gekerbte Probe von einem Pendelschläger bei einer definierten Temperatur geschlagen wird. Es dient zur Verifizierung, dass ein Werkstoff die Mindestzähigkeitsanforderung der anwendbaren Spezifikation oder des Regelwerks erfüllt, insbesondere für Tieftemperatur- oder kryogene Anwendungen.
Warum Kerbschlagzähigkeit wichtig ist
Metalle können bei sinkender Temperatur einen duktil-zu-spröde-Übergang (DBTT) aufweisen. Oberhalb der Übergangstemperatur ist das Versagen duktil (nimmt erhebliche Energie auf, verformt sich plastisch). Unterhalb davon ist das Versagen spröde (geringe absorbierte Energie, geringe Verformung, katastrophal).
Bei Kohlenstoff- und niedriglegierten Stählen tritt dieser Übergang je nach Zusammensetzung und Gefüge im Bereich von −50 °C bis +50 °C auf. Austenitische Edelstähle und die meisten Nickellegierungen zeigen keinen DBTT und bleiben bei kryogenen Temperaturen duktil.
Druckbehälter in kalten Klimazonen, kryogenem Betrieb und LNG-Anwendungen erfordern Werkstoffe mit einer garantierten Mindestzähigkeit bei der Mindestauslegungstemperatur des Werkstoffs (MDMT), um katastrophalen Sprödbruch zu verhindern.
Die Charpy-V-Kerb-Prüfmethode
Probengeometrie: 10 mm × 10 mm × 55 mm Stab mit einem 2 mm tiefen, 45° V-Kerb in der Mitte. Untermaßproben (7,5 mm × 10 mm oder 5 mm × 10 mm) werden verwendet, wenn die Materialdicke für Vollproben unzureichend ist.
Prüfverfahren (ASTM A370, EN ISO 148-1):
- Die Probe wird auf die spezifizierte Prüftemperatur in einem Flüssigkeitsbad abgekühlt (oder erwärmt) und innerhalb von 5 Sekunden nach der Entnahme auf den Amboss übertragen
- Ein 300-J-Pendelschläger (oder größerer) schlägt auf die der Kerbe gegenüberliegende Seite der Probe
- Die vom Probekörper beim Bruch absorbierte Energie wird aus dem Restschwung des Pendels gemessen
- Die Bruchfläche wird untersucht — prozentualer Scherflächenanteil und Seitenaufweitung können ebenfalls berichtet werden
Einheiten: Joule (J) gemäß EN-Normen; Foot-Pounds (ft-lb) gemäß ASTM. Umrechnung: 1 ft-lb = 1,356 J.
Wahl der Prüftemperatur
Die Prüftemperatur wird basierend auf der MDMT des Geräts gewählt:
| Norm | Regel für die Prüftemperatur |
|---|---|
| ASME VIII-1 | Gemäß UCS-66/UCS-66M-Kerbschlagprüftemperaturkurven oder auf dem Typenschild markierter MDMT |
| ASME B31.3 | Wie VIII-1 für Rohrleitungswerkstoffkurven |
| EN 13480 | Niedrigste Betriebstemperatur (LOT) oder Auslegungstemperatur, je nachdem welche niedriger ist |
| API 5L PSL2 | In der Rohrgütebezeichnung spezifiziert (z. B. X65 QO bei −20 °C) |
| EN 10028-3 | Gütenspezifische Prüftemperatur (z. B. P355NL1 bei −40 °C geprüft) |
Für die Schweißverfahrensprüfung (ASME IX QW-406.31) wird die erforderliche Charpy-Prüftemperatur durch den verweisenden Regelwerk (z. B. ASME VIII-1 oder B31.3) vorgegeben, wenn die ergänzende wesentliche Variable für Kerbschlagprüfungen angewendet wird.
Mindestenergieanforderungen
Abnahmekriterien variieren je nach Regelwerk und Anwendung. Häufige Richtwerte:
| Norm / Anwendung | Mindestmittelenergie | Mindesteinzelwert |
|---|---|---|
| ASME VIII Div. 1 (UG-84) | 27 J (20 ft-lb) für Vollproben | 19 J (14 ft-lb) |
| EN 10028-4 (kryogenes Blech) | 27–47 J je nach Güte | 70 % des Mittelwertminimums |
| API 5L PSL2 (Rohrwand) | 40 J (29 ft-lb) für X65 und höher | 27 J (20 ft-lb) |
| NORSOK MDS (Y30) | 45 J Mittelwert bei −46 °C | 30 J |
| DNV-ST-F101 Unterseerobrleitungen | Mindestens 100 J je nach Güte | — |
Für Untermaßproben werden die Mindestwerte proportional reduziert. ASME VIII-1 UG-84(b)(4) gibt die Korrekturfaktoren an.
Pflichtinhalt eines Kerbschlagzeugnisses
- Materialidentifikation — Schmelzen-/Chargennummer, Spezifikation, Güte, Produktform, Abmessungen
- Prüflabor — Name, ISO-17025-Akkreditierungsnummer
- Anwendbare Prüfnorm — ASTM A370 oder EN ISO 148-1
- Probenabmessungen — Voll- oder Untermaß (Reduktionsfaktor angeben, falls zutreffend)
- Kerbausrichtung — quer (T-L oder T-S) oder längs (L-T) zur Walzrichtung; die Ausrichtung beeinflusst die Ergebnisse erheblich
- Prüftemperatur — geforderte und tatsächliche Temperatur (Badtemperatur mit Kalibrierungsverweis)
- Einzelprobenergebnisse — absorbierte Energie für jede Probe (typischerweise 3 Proben pro Satz)
- Mittlere absorbierte Energie — berechnet aus den drei Ergebnissen
- Bruchbild — % Scherflächenanteil (falls gefordert)
- Seitenaufweitung (falls von der Spezifikation gefordert)
- Bestanden / Nicht bestanden gegen angegebene Abnahmekriterien
- Unterschrift des Technikers und Laborzulassung
Kerbschlagprüfung an Schweißnähten (PQR)
Wenn für eine Schweißverfahrensprüfung eine Kerbschlagprüfung erforderlich ist, werden Proben aus drei Bereichen entnommen:
- Schweißgut (WM): Proben im Zentrum des Schweißguts
- Schmelzlinie (FL): Kerb im Zentrum der Schmelzlinie zwischen Schweißgut und Grundwerkstoff
- WEZ (Wärmeeinflusszone): Kerb 2 mm von der Schmelzlinie in die WEZ
Alle drei Sätze müssen die Mindestenergieanforderungen erfüllen. WEZ-Ergebnisse sind häufig am schwierigsten zu bestehen, da das Gefüge in der grobkörnigen WEZ tendenziell weniger zäh ist als sowohl der Grundwerkstoff als auch das Schweißgut.
Was ist der Unterschied zwischen Charpy- und Izod-Kerbschlagprüfungen?
Beide messen die absorbierte Energie in einer gekerbten Probe, die von einem Pendel geschlagen wird. Die Charpy-Probe wird an beiden Enden gestützt und in der Mitte geschlagen; die Izod-Probe ist eingespannt (an einem Ende befestigt) und wird in der Nähe der Kerbe geschlagen. Charpy ist der Standard für Metalle in industriellen und druckgeräteregelnden Regelwerken. Izod wird hauptsächlich bei der Kunststoffprüfung verwendet.
Erfordert austenitischer Edelstahl eine Charpy-Kerbschlagprüfung?
Im Allgemeinen nein. Austenitische Edelstähle (300er-Serie), nickelbasierte Legierungen und die meisten Nichteisenlegierungen zeigen keinen duktil-zu-spröde-Übergang und behalten bei kryogenen Temperaturen eine gute Zähigkeit. ASME VIII-1 befreit diese Werkstoffe in den meisten Anwendungen von der Kerbschlagprüfung. Das Schweißgut in austenitischen Schweißnähten kann jedoch kerbschlaggeprüft werden, wenn das verweisende Regelwerk dies ausdrücklich verlangt.
Was verursacht, dass eine Stahlschmelze die Charpy-Kerbschlagprüfung nicht besteht?
Häufige Ursachen: hoher Schwefel- und Phosphorgehalt (Sulfideinschlüsse reduzieren die Zähigkeit), grobe Korngröße durch unsachgemäße Wärmebehandlung, hoher Kohlenstoff- oder niedriger Mangangehalt, Vorhandensein von Bainit- oder Martensitgefügen durch schnelles Abkühlen und falsche Probenausrichtung (Verwendung von Längsproben, wo Querproben erforderlich sind).
Können Kerbschlagergebnisse nachgeprüft werden, wenn eine Probe nicht besteht?
Ja, gemäß einem spezifischen Nachprüfungsprotokoll. ASTM A370 Supplementary Requirement S5 und EN ISO 148-1 erlauben die Nachprüfung, wenn nicht mehr als eine Probe unter dem Mindesteinzelwert liegt und der Mittelwert das Minimum noch erfüllt. Eine Nachprüfung von drei weiteren Proben kann durchgeführt werden; alle drei müssen die Mindestmittelwerte erfüllen, und keine Einzelprobe darf unter zwei Dritteln des Mittelwertminimums liegen.
Was ist die MDMT und wie hängt sie mit der Kerbschlagprüfung zusammen?
Die MDMT (Mindestauslegungstemperatur des Werkstoffs) ist die niedrigste Temperatur, bei der ein Druckbehälter für den vollständig druckbeaufschlagten Betrieb ausgelegt ist. ASME VIII-1 verlangt, dass der Werkstoff und seine Schweißnähte bei oder unter der MDMT kerbschlaggeprüft werden, es sei denn, die Kombination aus Werkstoffgüte, Dicke und Temperatur fällt in die Befreiungskurven von UCS-66. Die MDMT wird dauerhaft auf dem Typenschild des fertiggestellten Behälters markiert.
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