Die Härte eines Materials und dessen Bestimmung und Prüfung

Die Härte eines Materials ist eine grundlegende Werkstoffeigenschaft.

 

Die Definition der Härte

Als Härte wird der Widerstand eines Werkstoffes definiert, den das Material gegen das Eindringen eines härteren Fremdkörpers aufbringen muss. Demnach wird die Härte nur relativ ermittelt, weswegen sich verschiedene Härteprüfverfahren etabliert haben.

 

Welchen Hintergrund hat die Härteprüfung?

Die Härteprüfung ist im Bereich der Qualitätssicherung hergestellter Bauteile und Werkstücke ein wesentlicher Bestandteil. 


Oberflächenvergütung: Oft lassen sich allein durch die Bestimmung der Härte Rückschlüsse auf die Qualität der Oberflächenvergütung ziehen.

Wärmebehandlung: Ebenso lassen sich durch die Härte Hinweise auf die Qualität der Wärmebehandlung (insbesondere bei Stählen) gewinnen. Eine solche Wärmebehandlung kann auch ungewollt passiert sein. Mit einer Härtemessung lässt sich klären, ob eine Beeinträchtigung (ungewollte Oberflächenhärtung) eingetreten ist.

Verschleißfestigkeit bzw. Verschleißbeständigkeit: Im Bezug auf die Abrasionsbestädigkeit und Erosionsbeständigkeit von Materialien gilt die Härte als ein wichtiger Indikator. Als Faustregel gilt, dass besonders harte Materialien eine gute Verschleißbeständigkeit aufweisen.

 

Welche Materialien kann man prüfen?

Geprüft werden kann jeder Festkörper. Aber nicht jede Norm und nicht jedes Prüfverfahren ist für alle Materialien gleichermaßen anwendbar. Ein Kunststoff wird sich anders als ein Metall verhalten. Auch wird ein Aluminiumwerkstoff kaum mit einem Hartmetall vergleichbar sein. Für die gängigen Materialien und Legierungen haben sich daher Standards etabliert, die sogenannten Härteprüfverfahren.

 

Was muss man beachten?

Je nach Art des Bauteils kann nicht jedes Prüfverfahren angewandt werden, auch wenn es aus demselben Material gefertigt wurde! Beispielsweise darf sich bei der Härtebestimmung nach Rockwell der Prüfkörper nicht elastisch verformen, weshalb Bauteile mit Hohlräumen (z.B. Rohre) ungeeignet sind.

Die Härteprüfverfahren gelten als quasi zerstörungsfrei. Das beudetet, dass in aller Regel keine Zerstörung des Bauteils erfolgt. Dennoch hinterlässt eine Härteprüfung Abdrücke oder Eindrücke am Bauteil. Die Oberfläche wird beschädigt. Die Härteprüfung gilt damit als zerstörend, falls das Werkstück nicht beschädigt werden darf.

 

Die Härteprüfverfahren

Die wichtigsten Prüfverfahren zur Bestimmung der Härte eines Werkstoffes sind:

  • Prüfverfahren nach Shore (Shorehärte bzw. Shore-Härte HS)

 

 

Die Geschichte der Härte und Härteprüfung

Eine einfache Unterteilung nahm Mohs im Jahre 1820 vor. Seine Einteilung klassifizierte unbekannte Materialien (z.B. Minerale) in 10 Stufen, wobei Vergleichssubstanzen zu Rate genommen wurden. Als härtestes (natürliches) Material galt seither der Diamant, welches in der Mohs'sches Härteskala den Wert 10 einnimmt. Die Einteilung nach Mohs erfolgt durch die Ritzbarkeit (Fähigkeit zur Schädigung) und nicht nach dem notwendigen Kraftaufwand oder eines geometrischen Einflusses. Für technische Produkte, Bauteile, Halbzeuge und Werkstoffe ist die Einteilung nach Mohs kaum anwendbar. Hier sind normierte Verfahren notwendig.

Technisch relevant für Metalle und metallische Erzeugnisse sind vor allem die Härtebestimmung nach Brinell, nach Vickers, nach Rockwell und nach Martens.

 

Das Härteprüfverfahren nach Brinell (Brinellhärte)

Johan August Brinell stellte 1900 sein Härteprüfverfahren vor. Dabei wird eine Kugel aus Sinterhartmetall mit definiertem Durchmesser in das zu prüfende Material gedrückt. Die Kraft (Prüfkraft F), mit der die Kugel in das Material gedrückt wird, ist dabei festgelegt. Nach einer Belastungszeit (z.B. 10-15 Sekunden für Stähle) werden die Prüfkraft und die Sinterhartmetall-Kugel entfernt. Auf dem Prüfkörper werden anschließend die Eindruckdurchmesser d1 und d2 vermessen und ergeben zusammen mit der Prüfkraft F und dem Kugeldurchmesser D die Brinellhärte.

Schema der Brinell-Härtemessung

Bei der Angabe der Brinellhärte müssen normgerecht alle relevanten Parameter angegeben werden. Die Angabe

250 HBW 10/3000

bedeutet, dass der Werkstoff eine Brinellhärte von 250 aufweist. Ermittelt wurde dieser Wert durch Verwendung einer Kugel aus Wolframkarbid (daher HBW) mit einem Durchmesser von 10 mm und einer Prüfkraft von 3000 kp.

 

Das Härteprüfverfahren nach Rockwell (Rockwellhärte)

Bereits 1920 entwarf Rockwell mehrere Verfahren zur Bestimmung der Härte. Gekennzeichnet werden diese Härteprüfverfahren mit "HR" (hardness Rockwell), gefolgt von der Kennzeichnung des jeweiligen Rockwell-Verfahrens, z.B. A, B, C. Unterschieden wird nach den Einsatzgebieten.

Schema der Brinell-HärtemessungDas Prüfverahren ist nach DIN ISO 6508-1 genormt. Grundlegend wird ein Vorkraft (z.B. 10kp bei den Verfahren A, B und C) auf den Prüfkörper aufgegeben und die Messuhr genullt. Anschließend erfolgt die eigentliche Messung mit der Hauptkraft. Die Hauptkraft unterscheidet sich je nach Verfahren und wird für 2 bis 6 Sekunden gehalten. Am Ende wird die Hauptkraft entfernt und der Prüfkörper nur noch mit der Vorkraft belastet.

Mit der Ermittlung der Eindringtiefe vor und nach dem Belasten durch die Hauptkraft wird die Härte nach Rockwell berechnet.

Im Vergleich zu anderen Härteprüfverfahren ist eine Vermessung des Härteabdrucks nicht notwendig. Das macht die Härtemessung nach Rockwell besonders effizient und schnell.

 

Das Härteprüfverfahren nach Vickers (Vickershärte)

Von Smith und Sandland wurde 1925 ein weiteres Prüfverfahren definiert. Anders als bei der Härteprüfung nach Brinell oder Rockwell kommt hierbei eine Diamantpyramide zum Einsatz, welche in das Prüfmaterial gedrückt wird. Im Normalfall hinterlässt die Diamantpyramide einen rechteckigen Abdruck, bei dem anschließend die Diagonalen vermessen werden.

Schema der Vickers-Härtemessung

Die Vickershärte HV ermittelt sich durch das Verhältnis von Prüfkraft und Eindruckoberfläche. Normgerecht müssen bei der Angabe der Vickershärte auch die Messparameter angegeben werden. Die Angabe

300 HV 10

bedeutet, dass der Werkstoff eine Vickershärte von 300 aufweist und die Prüfkraft 10 kp betrug.

 


 

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