Wie funktionieren Pendelschlagwerke?

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Pendelschlagwerke

Maschinenteile, Verbindungselemente sowie Metallkonstruktionen werden durch mechanische Kräfte beansprucht. Diese Beanspruchungen können durch Zug, Druck, Schub, Biegung, Knickung, Verdrehung oder über mehrere dieser Beanspruchungsarten zugleich erfolgen. Zur Vermeidung von Schäden und Unfällen müssen Werkstoffe vor Verwendung auf ihre Eigenschaften und konstruktive Eignung geprüft werden. Die Werkstoffprüfung findet Anwendung beim Materialhersteller, beim Verwender, in der Forschung oder in der Sachverständigenprüfung zur Ursachenermittlung nach Unfällen und Konstruktionsmängeln. Insbesondere in der Maschinen-, Fahrzeug- und Gebäudekonstruktion müssen Bauteile und Komponenten stoßartigen und wechselnden Belastungen widerstehen. Das relevante Maß für diese Art von Festigkeit ist die Schlagzähigkeit, welche im Schlagbiegeversuch geprüft wird. Pendelschlagwerke sind hierfür das ideale Messmittel.

Der Kerbschlagbiegeversuch

Beim Kerbschlagbiegeversuch wird die Zähigkeit von Materialproben, in der Regel Stahl, Stahlguss, Aluminium oder Messing, geprüft. Prüfmittel sind Pendelschlagwerke. Das Pendelschlagwerk ist eine Prüfmaschine, bestehend aus dem Pendelhammer, der zwischen zwei Holmen des Maschinengestells durch schwingt, dem Widerlager zur Aufnahme der Materialprobe und einer Messeinrichtung zur Anzeige der Kerbschlagarbeit. Die Aufnahme der Messwerte erfolgt bei modernen Prüfmaschinen mit elektronischen Messsensoren, in älteren Anlagen mittels Schleppzeiger auf einer Anzeigeskala.

Pendelschlagwerke

Durchführung des Schlagbiegeversuchs

Beim Versuchsaufbau liegt ein genormter Probestab mit beiden Enden an den Widerlagern des Pendelschlagwerks an. Der Probestab ist mit einer mittigen Kerbe versehen, die vom Hammer weg zeigt. Die Kerbe soll die Probe den Bauteilen der Praxis angleichen, die häufig plötzliche Querschnittsveränderungen, Eindrehungen oder auch Anrisse haben können, welche wie die Kerbe die Widerstandsfestigkeit gegen Schlag erheblich herabsetzen. Der Pendelhammer wird nach oben in die Ausgangsstellung gebracht. Die Ausgangsstellung bezeichnet die Fallhöhe. Wird der Hammer ausgeklinkt, fällt er in einer Kreisbahn herunter und trifft im Tiefpunkt der Bahn waagerecht auf die Probe, die er entweder durchschlägt oder verformt durch die Widerlager zieht. Bei diesem Vorgang verbraucht sich ein Teil der im Pendelhammer gespeicherten potenziellen Energie. Der Hammer schwingt weiter bis zum Umkehrpunkt, welcher von der Messsensorik oder dem Schleppzeiger am Anzeigegerät festgehalten wird.

Auswertung des Versuchs

Der Schwung des Pendelhammers wird umso mehr abgebremst, je zäher der Werkstoff der Materialprobe ist. Bei spröden Werkstoffen schwingt der Hammer nach dem Auftreffen weiter aus als bei zähen Materialien. Die zum Durchschwingen notwendige Arbeit wird aus der Wucht des fallenden Hammers gewonnen. Sie lässt sich berechnen als Arbeit = Gewicht x Höhe. Beim Durchschlagen oder Durchziehen der Probe verrichtet der Hammer Arbeit und erreicht infolgedessen einen niedrigeren Umkehrpunkt als beim freien Durchschwingen. Der Höhenunterschied zwischen Fallhöhe und Umkehrpunkt ist das Maß für die verbrauchte Schlagarbeit. Folglich gilt: Je größer die Steighöhe bis zum Umkehrpunkt, umso geringer ist die Kerbzähigkeit des geprüften Werkstoffes. Das Prüfergebnis kann direkt am Anzeigegerät abgelesen werden und wird in der Einheit Joule angegeben.