Werkstoffhärte – Typen, Prüfmethoden & Einheiten

Härte ist die Eigenschaft eines Werkstoffs, lokalisierten Verformungen standzuhalten. Dies kann besonders wichtig sein, wenn Sie nach einem geeigneten Material für eine Umgebung suchen, die kleine Partikel enthält, die Materialverschleiß verursachen können. Weiche Materialien erleiden Vertiefungen, während harte jeder Formänderung widerstehen.

Härte sollte im Zusammenhang mit anderen Materialeigenschaften wie Festigkeit, Elastizität usw. gesehen werden. Zum Beispiel neigen viele harte Materialien dazu, spröde zu sein, was ihre Anwendungsfälle einschränkt.

In diesem Artikel werden wir uns genauer ansehen, was Materialhärte ist, wie sie gemessen wird und wie man die verschiedenen Einheiten vergleicht.

Was ist Materialhärte?

Härte ist das Maß für die Beständigkeit eines Materials gegen lokale bleibende Verformung. Bleibende Verformung wird auch plastische Verformung genannt. Während elastische Verformung bedeutet, dass ein Material seine Form nur während der Krafteinwirkung ändert, bedeutet eine resultierende plastische Verformung, dass das Material nicht in seine ursprüngliche Form zurückkehrt.

Einige Materialien sind von Natur aus hart. Zum Beispiel ist Wolfram ein unglaublich hartes Metall, das als Legierungselement in Werkzeugstählen Verwendung findet. Dies stellt sicher, dass diese Stahlgruppe auch bei hohen Temperaturen während des Schneidvorgangs verschleißfest ist.

Hartmetall, das in Fräsern viel Verwendung findet, enthält häufig auch Wolfram. Diese austauschbaren Schneidwerkzeugbits verlängern die Lebensdauer von Schneidwerkzeugen erheblich.Andererseits sind einige Materialien, einschließlich Metalle, so weich, dass sie für viele Anwendungen unbrauchbar werden. Reines Gold ist so weich, dass das Kratzen oder Biegen nicht viel Aufwand erfordert. Daher ist das Hinzufügen anderer Metalle wie Silber, Kupfer und Aluminium unerlässlich, um die Härte zu verbessern.Bei einigen Materialien ist die Wärmebehandlung eine Möglichkeit, eine größere Oberflächenhärte zu induzieren, während die anderen Qualitäten des Metalls in seinem Kern erhalten bleiben. Maschinenwellen durchlaufen häufig diesen Prozess, um eine längere Lebensdauer zu gewährleisten.

Ein Ingenieur muss bei der Erstellung eines Produktdesignkonzepts auch das Verhältnis der Härte berücksichtigen. Bei einer Lager- und Wellensitzung muss das Lager beispielsweise weicher sein, da es leichter zu ersetzen ist. Bei ständiger Bewegung muss ein Teil verschleißen und die Wahl liegt beim Ingenieur.

Härtearten

Werkstoffe verhalten sich bei verschiedenen Belastungsarten unterschiedlich. Zum Beispiel kann ein Metall, das einen großen einmaligen Aufprall extrem gut aushalten kann, bei kontinuierlicher Belastung nicht gleich wirken.

Die Härteprüfung muss für jeden Fall durchgeführt werden, damit eine fundierte Entscheidung für die Anwendung getroffen werden kann.

Die drei Arten von Härte sind Kratz-, Rückprall- und Eindruckhärte. Die Messung jeder Art von Härte erfordert einen anderen Satz von Werkzeugen. Außerdem hat dasselbe Material für jeden der oben genannten Typen unterschiedliche Härtewerte.

Eindrückhärte

Dieser Härtetyp bezieht sich auf die Beständigkeit gegen bleibende Verformung, wenn ein Material einer kontinuierlichen Belastung ausgesetzt wird.

Eindruckhärte ist das, worauf sich Ingenieure und Metallurgen normalerweise beziehen, wenn sie über Härte sprechen. Die Messung seines Wertes ist von primärem Interesse, da die kontinuierliche Belastung die häufigste Form der Belastung ist, der Metalle ausgesetzt sind.

Kratzhärte

Diese Art von Härte bezieht sich auf die Fähigkeit eines Materials, Kratzern auf der Oberfläche zu widerstehen. Kratzer sind schmale durchgehende Vertiefungen in der oberen Schicht aufgrund des Kontakts mit einem scharfen, härteren Material.Kratztests werden auch häufig für spröde Materialien wie Keramik verwendet, da diese keine signifikante plastische Verformung erfahren. Es ist wichtig, die Kratzhärte zu berücksichtigen, da einige Materialanwendungen sehr empfindlich auf Riefen reagieren.

Betrachten Sie als Beispiel den Fall einer Motorzylinderlaufbuchse. Kratzer oder Rillen können aus verschiedenen Gründen auftreten. Die Oberfläche des Liners kommt mit einer Vielzahl von Metallen wie Kolbenringen, Fremdpartikeln im Kraftstoff oder Schmieröl in Kontakt. Manchmal kann ein unsachgemäßer Sitz des Liners dazu beitragen.

Die abrasiven Partikel können Kratzer verursachen, die letztendlich die Motorleistung beeinträchtigen und auf lange Sicht mehr kosten für Wartung, Ersatzteile und Kraftstoffverbrauch verursachen.

In der Entwurfsphase berücksichtigt die richtige Metallauswahl die Härte der Materialien, mit denen sie in Kontakt kommt. Die Härte des Liners muss größer sein als die Materialien, mit denen er interagiert. Dies hilft, viele mögliche Probleme abzuwenden.

Rückprall- oder dynamische Härte

Rückprallhärte hat mehr mit elastischer Härte als mit plastischer Härte zu tun. Das Material absorbiert die Energie beim Aufprall und gibt sie an den Eindringkörper zurück.

Ein Eindringkörper ist ein Referenzmaterial für Härteprüfungen. Dynamische Härte wird normalerweise gemessen, indem man einen Diamant-gespitzten Hammer auf dem Probekörper fallen lässt und den Schlag des Hammers notiert, nachdem er die Oberfläche schlägt.

Je näher die Höhe an der ursprünglichen Fallhöhe liegt, desto höher ist der Wert für die Rückprallhärte.

Verschiedene Härteeinheiten

Die SI-Einheit der Härte ist N/mm2. Die Einheit Pascal wird also auch für die Härte verwendet, aber Härte darf nicht mit Druck verwechselt werden.

Die verschiedenen oben diskutierten Härtetypen haben unterschiedliche Messskalen. Für Kratz-, Eindrück- und Rückprallhärte variieren die Messmethoden (z. B. Brinell, Rockwell, Knoop, Leeb und Meyer). Da die Einheiten aus diesen Messmethoden abgeleitet werden, sind sie nicht für einen direkten Vergleich geeignet.

Sie können jedoch immer eine Umrechnungstabelle verwenden, um die Rockwell- (B & C), Vickers- und Brinell-Werte zu vergleichen. Tabellen wie diese sind nicht 100% genau, geben aber einen guten Hinweis.

In all diesen Skalen hat ein hartes Material eine höhere Härtezahl.

Die häufig verwendeten Einheiten für die Härtemessung sind:

• Brinellhärtezahl (HB)
• Vickers-Härtezahl (HV)
• Rockwell-Härtezahl (HRA, HRB, HRC usw.)
• Leeb-Härtewert (HLD, HLS, HLE usw.)

Messung der Härte

Die verschiedenen Härtetypen werden mit verschiedenen Methoden gemessen testmethoden. Eine Gemeinsamkeit unter allen Methoden ist die Verwendung eines Eindringkörpers, um die Vertiefung auf der Oberfläche des Prüflings zu erzeugen. Die Vertiefung bietet eine greifbare Darstellung der Härte von Materialien und ist leicht zu messen und zu replizieren.

Härtere Materialien haben flache Vertiefungen und weichere Materialien haben tiefere Vertiefungen.

Brinell-Härteprüfung

Der Brinell-Test war eine der ersten allgemein anerkannten Härteprüfungen zur Messung der Eindruckhärte. Beim Brinell-Test wird eine Stahlkugel mit einem Durchmesser von 10 mm als Eindringkörper verwendet, um einen Abdruck auf dem Prüfling zu erzeugen und dessen Brinellhärtezahl zu berechnen.

Der Ball wird für eine vorbestimmte Zeit, normalerweise 30 Sekunden, an Ort und Stelle gehalten und eine Kraft wird auf den Ball ausgeübt. Diese Kraft variiert je nach dem zu messenden Testmetall.

Die Standardlast beträgt 3000 kg, bei weicheren Metallen kann sie jedoch auf 500 kg reduziert werden. Für härtere Metalle kann eine Hartmetallkugel verwendet werden, um eine Verzerrung der Kugel zu verhindern. Die Härteeinheit HB (oder HBN) wird im Falle von Wolfram in HBW geändert, um seine Verwendung zu melden (Wolfram = Wolfram in Deutsch / Schwedisch).

Beim Entfernen des Eindringkörpers wird die Delle mit einem Low-Power-Mikroskop beobachtet und die Größe wird berechnet, indem der Durchschnitt der Messungen im rechten Winkel genommen wird.

Nach Abschluss des Brinell-Tests wird die Härtezahl wie folgt berechnet:

, wo

F–kraft, N

D–eindringkörper durchmesser, mm

d–einzug durchmesser, mm

Rockwell Härte Test

Rockwell härte test ist die am häufigsten verwendete methode für einzug härte messungen. Der Wert der Rockwell-Härte wird von der verwendeten Skala begleitet.

Abhängig vom zu prüfenden Material muss eine geeignete Skala ausgewählt werden. Diese Härteskala gibt Auskunft über die Art der verwendeten Eindringkörper-Last-Kombination.

Es stehen insgesamt 30 Skalen zur Auswahl. Dies macht Rockwell zu einem Maßstab für die Messung der Härte einer Vielzahl von Materialien. Auch Keramik- und Verbundwerkstoffhärtemessungen sind möglich. Die am häufigsten verwendeten Skalen sind „B“ und „C“.

Bei der Rockwell-Härteprüfung wird vor dem Anlegen der Prüflast eine kleine Unterlast aufgebracht, um den Eindringkörper in den Prüfling zu setzen und den Effekt von Oberflächenunregelmäßigkeiten zu beseitigen. Dies bietet eine bessere Genauigkeit.

Dann wird ähnlich wie beim Brinell-Test der Eindringkörper verwendet, um einen Eindruck auf das Material zu erzeugen, indem die Prüflast aufgebracht wird, die auch als Hauptlast bezeichnet wird. Anschließend wird der Abdruck zur Bestimmung der Härte vermessen. Zur Erfassung der Verformung wird eine Messuhr verwendet.

Für die Berechnung des Härtewertes wird die Nettozunahme der Dellenabmessung (zwischen der Anwendung von geringer und großer Last) berücksichtigt.

Die Angabe der Ladegeschwindigkeit ist erforderlich. Bei weichen Metallen können unterschiedliche Geschwindigkeiten der Lastanwendung einen nennenswerten Unterschied im Endwert bewirken. Es ist wichtig, sorgfältig zu überwachen, dass die Ladegeschwindigkeit dem Standard entspricht.

Die Formel für die Rockwell-Härte lautet:

, wobei

N – Skalierungsfaktor abhängig von der verwendeten Skala

s – Skalierungsfaktor abhängig von der verwendeten Skala

d – Tiefe der permanenten Einrückung im Vergleich zu geringer Belastung, mm

Vickers-Härteprüfung

Die dritte Möglichkeit zur Messung der Materialhärte ist die Verwendung des Vickers-Tests. Dies ist besonders für weichere Materialien geeignet, die keine hohen Belastungen benötigen. Bei weichen Materialien bietet die Vickers-Methode eine bessere Genauigkeit.

Außerdem ist die Berechnung des Härtewerts einfacher, da Vickers für alle Materialien den gleichen Diamantzahnkörper verwendet. Daher ist es nicht notwendig, die Formel zu optimieren.

Ein weiteres wichtiges Merkmal ist die Verwendung einer Lupe, die es ermöglicht, Bereiche mit einer bestimmten Mikrostruktur zu testen.

Zuerst muss der Tester das Teil auf die Maschine legen und mit dem Mikroskop die passende Höhe finden. Dann wird anhand der Bilder der richtige Ort bestimmt.

Der Diamant-Eindringkörper hat die Form einer vierseitigen Pyramide. Nach dem Berühren des Teils erreicht die Maschine bald den vorbestimmten Kraftwert. Es bleibt für eine bestimmte Zeit bei der gleichen Last.

Dann erfolgt die Messung der Einrückung. Die Berechnung des Vickers-Härtewerts verwendet die folgende Formel:

, wo

F–kraft, N

d–einzug diagonal, mm

Mohs Härte Test

Der deutsche Mineraloge Mohs entwickelte zuerst den Mohs-Härteprüfung, um die Kratzhärte von Materialien zu messen. Bei diesem Test wird das Material mit einem Referenzmaterial zerkratzt, das eine definierte Härte aufweist.

Basierend auf den Testergebnissen wird dem Testmaterial ein numerischer Härtewert zugewiesen. Der Mohs-Härtetest verwendet 10 Referenzmaterialien unterschiedlicher Härte als Skala für den Test.

Das weichste verwendete Material ist Talk (Wert=1) und das härteste Material ist Diamant (Wert=10). Da die für die Mohs-Skala verwendeten Referenzen keinen abgestuften Anstieg aufweisen, fehlt der Mohs-Skala die Genauigkeit und ist nur ein grobes Maß für die Härte.

Heutzutage werden moderne Kratztests mit Rockwell-Diamant-Eindringkörpern durchgeführt, indem das Prüfstück für eine bestimmte Länge, die durch den ausgewählten Lastwert gedrückt wird, zerkratzt wird.

Skleroskop Test

EINE skleroskop ist ein gerät verwendet, um messen die rebound oder dynamische härte von materialien. Das Setup besteht aus einem hohlen vertikalen Glasrohr, das mit einem Ständer verbunden ist. Durch dieses Rohr wird ein Diamanthammer auf das Teststück fallen gelassen und der Schlag des Hammers wird notiert.

Der Diamanthammer wird aus einer festen Höhe unter seinem eigenen Gewicht fallen gelassen. Bei Berührung mit dem Prüfling springt der Hammer zurück. Dieser Sprung wird für Materialien mit höherer Härte höher sein.

Die Sprungkraft ist bei einem weichen Metall geringer, da ein Teil der Aufprallenergie erschöpft wird, um eine Delle auf der Testoberfläche zu erzeugen. Das Glasrohr hat Steigungen, um die Höhe des Sprunges zu messen. Die Rückprallhärte wird in Shore-Einheiten gemessen.