Grundlagen zur Härteprüfung

Erfahren Sie mehr über Faktoren, Probengrößen, Probendicke, Skalen und Härteprüfmethoden in diesem Weißbuch über Grundlagen zur Härteprüfung.
Grundlagen zur Härteprüfung
Die Härte ist eine charakteristische Eigenschaft und keine grundlegende physikalische Eigenschaft eines Werkstoffs. Sie ist als Eindruckfestigkeit definiert und wird durch die Messung der permanenten Eindringtiefe bestimmt. Bei Verwendung einer festen Kraft (Last) und eines bestimmten Eindringkörpers gilt: je kleiner die Einbuchtung, desto härter das Material. Der Wert der Eindruckhärte wird durch Messen der Eindringtiefe oder -fläche mit einem von über 12 verschiedenen Testverfahren bestimmt. 

Wichtiges für die Härteprüfung
Folgende charakteristische Probeneigenschaften sollten vor der Auswahl des Härteprüfverfahrens berücksichtigt werden: 

• Probengröße
• Proben in Zylinderform 
• Probendicke 
• Maßstäbe
• Wiederhol- und Vergleichpräzision

Probengröße
Je kleiner das Teil, desto kleiner die nötige Last, um die gewünschte Vertiefung herzustellen. Bei kleinen Teilen ist es besonders wichtig, sicherzustellen, dass Mindestanforderungen an die Dicke gewährleistet sind und dass Eindruckstellen mit genügend Abstand zu Innen- und Außenkanten gewählt werden. Größere Teile müssen ordentlich eingespannt werden, um die sichere Befestigung während des Testvorgangs ohne mögliche Bewegung oder Schlupf zu gewährleisten. Teile, die entweder über den Amboss herausragen oder sich nicht leicht vom Amboss abstützen lassen, sollten eingespannt bzw. ordnungsgemäß abgestützt werden. 
Proben in Zylinderform

Für die Prüfung von Zylinderformen mit kleinen Durchmessern ist aufgrund der Differenz zwischen den axialen und radialen Fließeigenschaften eine Korrektur notwendig. Je nach Durchmesser der konvexen Zylinderfläche wird das Testergebnis mit einem Rundheitskorrekturfaktor angepasst. Darüber hinaus ist es wichtig, dass die Eindruckstelle in einem Mindestabstand von einem Rand oder einer anderen Vertiefung liegt, der das 2 1/2-fache des Eindruckdurchmessers beträgt. 

Probendicke
Die minimale Dicke einer Probe sollte mindestens das Zehnfache der voraussichtlichen Eindringtiefe betragen. Es gibt Empfehlungen für die Mindestdicke bei den Methoden Rockwell Regular und Superficial.
Maßstäbe
In manchen Fällen ist es notwendig, in einem bestimmten Maßstab zu messen und die Ergebnisse in einem anderen Maßstab auszugeben. Es gibt Methoden der Konvertierung, die eine gewisse Gültigkeit haben. Jedoch ist es wichtig zu beachten, dass, wenn eine tatsächliche Korrelation durch Tests in verschiedenen Maßstäben durchgeführt wurde, bestimmte Konvertierungsmethoden gegebenenfalls nicht zuverlässig sind. 

Wiederhol- und Vergleichpräzision
Studien zur Wiederhol- und Vergleichpräzision wurden entwickelt, um die Fähigkeit der Betreiber und deren Instrumente zu berechnen, entsprechend der Toleranzen eines bestimmten Prüflings testen zu können. Bei der Härteprüfung gibt es bestimmte Variablen, die standardmäßige Verfahren und Formeln der Wiederhol- und Vergleichpräzision mit Prüflingen ausschließen. Variationen in Werkstoffen und die Unfähigkeit, den gleichen Bereich mit einem Eindringtiefenmessgerät erneut zu prüfen, stellen zwei wesentliche Faktoren dar, die die Wiederhol- und Vergleichpräzisions-Ergebnisse beeinflussen. Um diese Auswirkungen zu minimieren, ist es am besten, die Versuche an höchst gleichmäßigen Testblöcken durchzuführen, damit derartige Variationen minimiert werden. 


Härteprüfverfahren

Rockwell-Prüfverfahren, nach ASTM E-18, ist das am häufigsten verwendete Härteprüfverfahren. Die Rockwell-Prüfung ist in der Regel einfacher durchzuführen und genauer als andere Härteprüfverfahren. Das Rockwell-Prüfverfahren ist für alle Metalle verwendbar, es sei denn, die Metallstruktur oder Oberflächenzustände des Prüflings führen zu starken Variationen, die Vertiefungen sind für die Anwendung zu groß oder die Verwendung ist aufgrund der Probengröße oder -form nicht möglich. 

Beim Rockwell-Prüfverfahren wird die permanente, durch eine auf einen Eindringkörper wirkende Kraft/Belastung entstandene Eindringtiefe gemessen. Zunächst wird eine vorab wirkende Prüfkraft (üblicherweise als Prüfvorkraft bezeichnet) über einen Diamantkegel an dem Prüfling angelegt. Diese Kraft stellt die Null- oder Referenzposition dar, die die Oberfläche durchbricht, um die Auswirkungen der Oberflächengüte zu reduzieren.

Nach der Prüfvorkraft wird eine zusätzliche Kraft, die Prüfzusatzkraft, angelegt, durch die die erforderliche Testlast erreicht wird. Diese Kraft wird für eine vorbestimmte Zeitdauer (Verweildauer) gehalten, um die Elastizitätsrückgewinnung zu ermöglichen. Anschließend wird die Prüfzusatzkraft weggenommen und die Endposition wird zum Vergleich mit der Position von der Prüfvorkraft gemessen. Es handelt sich um die Eindringtiefenabweichung zwischen dem Wert von der Prüfvorkraft und dem der Prüfzusatzkraft. Dieser Abstand wird in den Wert der Rockwell-Härte umgewandelt.

Brinell-Prüfverfahren nach ASTM E10 Dieses Verfahren wird in der Regel verwendet, um Werkstoffe zu prüfen, deren Struktur oder deren Oberfläche zu grob ist, um mit einem anderen Testverfahren geprüft zu werden, wie zum Beispiel Gusseiserne und geschmiedete Teile. Brinell-Prüfungen verwenden häufig sehr hohe Prüflasten (29,9 kN) und einen 10 mm breiten Eindringkörper, sodass die resultierende Vertiefung die meisten Inkonsistenzen an oder direkt unter der Oberfläche ausgleicht.

Beim Brinell-Prüfverfahren wirkt eine vorgegebene Prüflast (F) für eine vorbestimmte Zeit auf eine Karbidkugel mit einem festen Durchmesser (D) und wird danach entfernt. Der Durchmesser der Eindruckstelle wird in der Regel zweimal (im rechten Winkel zueinander) gemessen. Aus den beiden Messwerten wird der Durchschnitt ermittelt. Anhand einer Tabelle wird der durchschnittliche Durchmesser in die Brinell-Härte umgewandelt. Prüfkräfte liegen im Bereich von 4,9 bis 29,4 kN. 

In der Regel wird mit einer Brinell-Härteprüfmaschine eine Eindruckstelle hergestellt, deren Durchmesser anschließend mit einem speziellen Brinell-Mikroskop oder einem ähnlichen optischen System gemessen wird. Das Messergebnis wird mit der Brinell-Formel oder einer Umrechnungstabelle, die auf der Formel basiert, in die Brinell-Härte umgewandelt.

Die Durchmesser der Eindringkugeln liegen im Bereich von 10 bis 1 mm. Die niedrigeren Lasten und Kugeldurchmesser werden der Einfachheit halber meist in Kombi-Prüfgeräten wie Rockwell-Prüfgeräten verwendet, die eine geringere Arbeitslast haben. 

Das Vickers-Prüfverfahren, auch als Mikrohärte-Prüfverfahren bezeichnet, wird vor allem für Kleinteile, dünnwandige oder oberflächengehärtete Werkstücke verwendet. Das Vickers-Verfahren beruht auf einem optischen Messsystem. Das Mikrohärte-Testverfahren, ASTM E-384, fordert für die Eindruckstelle einen Bereich geringer Lasten und einen Diamant-Eindringkörper. Die Eindruckstelle wird anschließend vermessen und in einen Härtewert umgewandelt. 

Es ist für die Prüfung vieler Materialtypen nützlich, solange die Prüflinge sorgfältig vorbereitet sind. Ein pyramidenförmiger Diamant mit quadratischer Grundfläche wird für die Prüfung auf der Vickers-Skala verwendet. Die Lasten sind normalerweise sehr klein, von wenigen Gramm bis zu einem oder mehreren Kilogramm, wobei Vickers „Makro-Lasten“ bis zu 30 kg oder mehr erreichen können. Mikrohärteverfahren werden verwendet, um Metalle, Keramik und Verbundstoffe zu testen – fast jede Art von Material.

Da die Prüfeindruckstelle bei einer Vickers-Prüfung äußerst klein ist, ist sie für eine Vielzahl von Anwendungen nützlich: Prüfung sehr dünner Materialien wie Folien, Oberflächenmessung eines Teils, von Kleinteilen oder kleinen Flächen, Messung einzelner Mikrostrukturen oder der Einsatzhärtungstiefe durch Aufteilung in Abschnitte und anschließende Durchführung einer Reihe von Härtetests, um ein Härteprofil zu erstellen. 

Das Knoop-Prüfverfahren, auch als Mikrohärte-Prüfverfahren bezeichnet, wird vor allem für Kleinteile, dünnwandige oder oberflächengehärtete Werkstücke verwendet. Das Vickers-Verfahren beruht auf einem optischen Messsystem. Das Mikrohärte-Testverfahren, ASTM E-384, fordert für die Eindruckstelle einen Bereich geringer Lasten und einen Diamant-Eindringkörper. Die Eindruckstelle wird anschließend vermessen und in einen Härtewert umgewandelt. 

Es ist für die Prüfung vieler Materialtypen nützlich, solange die Prüflinge sorgfältig vorbereitet sind. Ein pyramidenförmiger Diamant wird für die Prüfung auf der Knoop-Skala verwendet. Dieser Eindringkörper unterscheidet sich von dem pyramidenförmigen Eindringkörper der Vickers-Prüfung. Der Knoop-Eindringkörper ist eher länglich bzw. rechteckig. 

Das Knoop-Verfahren wird häufig verwendet, wenn die Eindruckstellen eng beieinander oder sehr nah an der Probenkante liegen. Die Breite der Knoop-Eindruckstelle kann eine höhere Auflösung für die Messung bieten und sie ist weniger tief. Folglich kann dieses Verfahren auch bei sehr dünnen Werkstoffen verwendet werden. 
Bei einer Knoop-Prüfung wirkt für eine gewisse Verweildauer eine vorbestimmte Prüfkraft über einen pyramidenförmigen Diamant-Eindringkörper auf die Probe ein. Der bei einer Knoop-Prüfung verwendete Eindringkörper ist pyramidenförmig, ist allerdings eher länglich im Vergleich zum Vickers-Eindringkörper. Nach der Verweildauer wird die Kraft entfernt. Im Gegensatz zur Vickers-Prüfung, bei der die Länge der Eindruckstelle entlang der vertikalen und horizontalen Achsen gemessen und der Durchschnittswert der beiden Längen verwendet wird, wird beim Knoop-Verfahren nur entlang der langen Achse gemessen. Dieser Wert wird anschließend mit einer Umrechnungstabelle in die Knoop-Härte umgewandelt. 

Da die Prüfeindruckstelle bei einer Knoop-Prüfung äußerst klein ist, ist sie für eine Vielzahl von Anwendungen nützlich: Prüfung sehr dünner Materialien wie Folien, Oberflächenmessung eines Teils, von Kleinteilen oder kleinen Flächen, Messung einzelner Mikrostrukturen oder der Einsatzhärtungstiefe durch Aufteilung in Abschnitte und anschließende Durchführung einer Reihe von Härtetests, um ein Härteprofil zu erstellen.

Die Einsatzhärtungstiefe ist die Dicke der gehärteten Schicht einer Probe. Einsatzhärten verbessert sowohl die Verschleißfestigkeit als auch die Dauerfestigkeit von Bauteilen, die dynamischen und/oder thermischen Belastungen ausgesetzt sind. Gehärtete Stahlteile werden in der Regel in Drehanwendungen verwendet, bei denen hohe Festigkeiten bzw. Verschleißfestigkeiten erforderlich sind. Die Eigenschaften des Einsatzhärtens werden primär durch die Oberflächenhärte, die wirksame Einhärtetiefe und das Tiefenprofil der Restspannung bestimmt. Gehärtete Teile finden beispielsweise in Getrieben und Motoren Verwendung.

Die Einsatzhärteprüfung umfasst oftmals die Durchführung einer Reihe von Eindruckversuchen vom Rand der Probe aus in Richtung Mitte. Der Härteverlauf wird auf einem Graphen festgehalten und der Abstand von der Oberfläche zur Grenzhärte (HL) wird berechnet.

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