Härteprüfung. Inhalt. 1 Einführung

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1 Härteprüfung Inhalt 1 Einführung 2 Eindringhärteprüfung 2.1 Einteilung der Eindringprüfverfahren Nach der Art des Aufbringens der Prüfkraft Nach der Art des Eindringkörpers Nach der Größe der Prüfkraft 2.2 Zum Vorgang der Eindruckhärteprüfung 2.3 Brinellhärteprüfung (DIN EN ISO 6506) 2.4 Vickershärteprüfung (DIN ) 2.5 Rockwellhärteprüfung (DIN EN ISO 6508) 2.6 Schlaghärteprüfung nach Poldi 2.7 Rückprallhärteprüfung 3 Härtevergleich 4 Umrechnung von Härtewerten in Zugfestigkeitswerte Literatur 1 Einführung Die Härteprüfung ist eine seit langem bekannte Prüf-, d.h. Unterscheidungsmethode zur Bestimmung und Klassifizierung der

2 verschiedensten Werkstoffe. In einem praktisch zerstörungsfreien Prüfverfahren wird die technische Härte der Stoffe bestimmt. Abhängig von den zu untersuchenden Materialien und bestmöglichen Differenzierungseigenschaften haben sich eine große Anzahl unterschiedlichster Methoden bewährt. Man unterscheidet Eindringhärteprüfung Ritzhärteprüfung Rückprallhärteprüfung Zerspanungshärteprüfung Eines der ältesten Verfahren, das eine Zuordnung der Bearbeitungswerkzeuge zu den damit noch bearbeitbaren Materialien gestattete, ist die Ritzhärteprüfung mit den von Mohs 1811 aufgestellten Härtegraden Hieraus folgt auch noch die Bedeutung der Ritzhärteprüfung bei Verschleißuntersuchungen. Den Zusammenhang zwischen den Mohs-Härtegraden und zwei Vertretern der in der Folge ausschließlich behandelten Eindringhärteprüfung zeigt das folgende Bild.

3 Härtevergleich Mohs-Vickers-Knoop Seitenanfang 2 Eindringhärteprüfung Zur Prüfung metallischer Werkstoffe hat sich praktisch nur die Eindringhärteprüfung durchgesetzt. Im folgenden sollen über diese Verfahren ein Überblick gegeben und die vier bedeutendsten Methoden (Vickers-, Rockwell-, Brinell- und Poldiprüfung) vorgestellt werden. Definition: Die Härte ist ein Maß für den Widerstand, den ein Körper dem Eindringen eines (härteren) Körpers entgegensetzt. Seitenanfang 2.1 Einteilung der Eindringprüfverfahren Nach der Art des Aufbringens der Prüfkraft statisches Aufbringen der Prüfkraft ohne Vorkraft mit Vorkraft (Vorlast-Härteprüfung, Rockwell) statisches Aufbringen der Prüfkraft und anschließendes Bewegen des Eindringkörpers durch Pendeln (Pendelhärteprüfung) durch Rollen (Rollhärteprüfung) dynamisches Aufbringen der Prüfkraft Schlaghärteprüfung (Poldi) Fallhärteprüfung

4 2.1.2 Nach der Art des Eindringkörpers Kugeldruckhärteprüfung (Brinell, Janka) Pyramidenhärteprüfung (Vickers, Knoop) Kegeldruckhärteprüfung (Ludwik, Rockwell) Doppelkugeldruckhärteprüfung (Grodzinski, Buchholz) Abgewandelte Eindringkörper (Chalais - Mendon) Nach der Größe der Prüfkraft Makro-Härteprüfung F > 50 N Kleinlast-Härteprüfung 1 N < F < 50 N Mikro-Härteprüfung F < 1 N Seitenanfang 2.2 Zum Vorgang der Eindruckhärteprüfung Bei den gebräuchlichsten Härteprüfverfahren wird ein harter Prüfkörper senkrecht zur Oberfläche der Probe in diese eingedrückt. Unter dem eindringenden Prüfkörper bildet sich in der Probe ein dreiachsiger Spannungszustand aus. Dadurch erklärt es sich, dass sich einerseits in sich z.b. im Zugversuch spröd verhaltenden Werkstoffen, wie gehärtetem Stahl, bleibende Eindrücke ohne Rissbildung erzeugen lassen, dass aber andererseits in weichen Werkstoffen die Verformung bei einer Flächenpressung zum Stillstand kommt, welche hoch über der für den einachsigen Spannungszustand gültigen Fließgrenze des nunmehr kaltverfestigten Werkstoffs liegt. Die große Bedeutung der Härteprüfung liegt darin, dass die Härte eine den Behandlungszustand der Metalle kennzeichnende, in weiten Grenzen veränderliche Eigenschaft ist, dass sie sich leicht und schnell (oft ohne Probeentnahme, d.h. am Bauteil selbst) ermitteln lässt, das geprüfte Teil dabei meistens nicht unbrauchbar wird und in gewissen Grenzen eine Abschätzung der Zugfestigkeit

5 möglich ist ( bedingt zerstörungsfrei - Vorsicht ist insbesondere bei schwingend hochbeanspruchten Zonen und sehr harten Oberflächen geboten). Als Ergebnis wird nur ein Kennwert ermittelt, die Härtezahl. Sie ist abhängig vom Prüfverfahren. Eine Probe kann also je nach dem angewandten Prüfverfahren ganz verschiedene Härtewerte aufweisen. Im Prüfergebnis ist daher die Angabe des Prüfverfahrens erforderlich. Seitenanfang 2.3 Brinellhärteprüfung (DIN EN ISO 6506) Im Jahre 1900 führte der Schwede Brinell auf der Pariser Weltausstellung ein neues Härteprüfverfahren vor. Danach wird eine Kugel aus Hartmetall vom Durchmesser D mit einer Last F senkrecht in die ebene, metallisch blanke Oberfläche der Probe eingedrückt. Dann wird der Eindruckdurchmesser d mit einer Lupe auf 1/100 mm genau gemessen (bei unrundem Eindruck - z.b. infolge Textur - durch Mittelwertbildung aus zwei senkrecht zueinander stehenden Durchmessern) und die Brinellhärte in der Maßeinheit kp/mm 2 errechnet:

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7 Brinell-Härteprüfung Meistens erspart man sich das Ausrechnen und entnimmt die Härtezahl einer Tabelle, welche die bereits errechneten Brinellhärten für alle in 1/100 mm gestuften Eindruckdurchmesser enthält. In dieser Internationalen Norm ist das Verfahren für die Prüfung der Brinellhärte von metallischen Werkstoffen bis zu einer Grenze von 650 HBW festgelegt.

8 Kurzzeichen für die Härte Kugeldurchmesser D in mm Beanspruchungsgrad N/mm 2 Nennwert der Prüfkraft F Nennwert HBW 10/ ,42 kn HBW 10/ ,71 kn HBW 10/ ,807 kn HBW 10/ ,903 kn HBW 10/ ,5 2,452 kn HBW 10/ ,7 N HBW 5/ ,355 kn HBW 5/ ,452 kn HBW 5/ ,226 kn HBW 5/62,5 5 2,5 621,9 N HBW 5/ ,2 N HBW 2,5/187,5 2,5 30 1,839 kn HBW 2,5/62,5 2, ,9 N HBW 2,5/31,25 2, ,5 N HBW 2,5/15,625 2,5 2,5 153,2 N HBW 2,5/6,25 2,5 1 61,29 N HBW 1/ ,2 N HBW 1/ ,07 N

9 HBW 1/ ,03 N HBW 1/2,5 1 2,5 24,52 N HBW1/ ,807 N Prüfkräfte Die Prüfkraft ist so zu wählen, dass der Eindruckdurchmesser d zwischen den Werten 0,24 D und 0,6 D liegt. Die Last ist innerhalb von etwa 10 s langsam aufzubringen und etwa 10 bis 15 s wirken zu lassen (eine manchmal notwendige längere Einwirkungsdauer wird mit dem Härtewert angegeben). Der Beanspruchungsgrad (0,102 F/D 2 ) ist dem Werkstoff und der Härte entsprechend der nächsten Tabelle zu wählen. Werkstoff Brinellstärke Beanspruchungsgrad 0,102 F/D 2 Stahl; Nickel- und Titalnlegierungen 30 Gusseisen 1) < < 35 5 Kupfer und Kupferlegierungen 35 bis > < 35 2,5 Leichtmetalle und ihre Legierungen 35 bis 80 >

10 Blei und Zinn 1 Sintermetalle siehe EN ) Für die Prüfung von Gusseisen muss der Nenndurchmesser der Kugel 2,5 oder 5 oder 10 mm betragen. Beanspruchungsgrad Der Durchmesser der Kugel ist so groß wie möglich zu wählen, damit der Eindruck einen möglichst großen für die Probe repräsentativen Bereich erfasst. Bei ausreichender Probendicke (mindestens das 8-fache der Eindrucktiefe h) ist bevorzugt die Kugel mit 10 mm Durchmesser anzuwenden. Aufgrund der relativ großen Kugeldurchmesser, d.h. der großen Prüfeindrücke eignet sich die Brinellprüfung insbesondere für die Mittelwertbestimmung bei heterogenen Gefügen (z.b. Grauguss). Die Brinellhärte wird durch folgende Symbole angegeben: HBW: Bedeutet, dass eine Hartmetallkugel verwendet wird. Anmerkung: In früheren Normen wurde bei Verwendung einer Stahlkugel, was jetzt nicht mehr üblich ist, die Brinellhärte durch das Symbol HBS (noch früher HB) gekennzeichnet. Vor dem Symbol HBW steht der Härtewert, hinter dem Symbol eine Zahlenkombination, die die Prüfbedingungen in folgender Reihenfolge angibt: a. Kugeldurchmesser in mm b. eine Zahl, die die Prüfkraft angibt (siehe Tabelle 1, Umrechnung F[kp] = F[N]/9,80665) c. Einwirkdauer der Prüfkraft in s, falls diese von der vorgegebenen Dauer (10 bis 15 s) abweicht Beispiel 1: 350 HBW 5/750 = Brinellhärte 350, bestimmt mit einer Kugel von 5 mm Durchmesser und einer Prüfkraft von 7,355 kn, die 10 bis 15 s einwirkte. Beispiel 2: 600 HBW 1/30/20 = Brinellhärte 600, bestimmt mit einer Kugel von 1 mm Durchmesser und einer Prüfkraft von 294,2 N, die 20 s

11 einwirkte. Seitenanfang 2.4 Vickershärteprüfung (DIN ) Vickersprüfung Da die Ermittlung der Brinellhärte über 350 HBW wegen der Abplattung der Prüfkugel Schwierigkeiten macht, wurde 1925 nach Ideen von Smith und Sandland in den englischen Vickerswerken ein Härteprüfverfahren entwickelt, bei dem als Eindringkörper eine vierseitige, regelmäßige Diamantpyramide mit 136 Spitzenwinkel zwischen den gegenüberliegenden Flächen benutzt wird. (Die Spitze ist nicht abgerundet und erscheint selbst unter dem Mikroskop als Spitze). Im übrigen zeigt der Vickersversuch große Ähnlichkeit mit dem Brinellversuch: Die Pyramide wird mit der Last F senkrecht in die Probe eingedrückt. Dann werden die Eindruckdiagonalen d auf 0,002 mm genau gemessen, ihr Mittelwert gebildet und die Vickershärte (auch Pyramidenhärte genannt) errechnet: Vorliegende Tabellen gestatten ein einfaches Ablesen des Härtewertes mit Hilfe der gemessenen Eindruckdiagonalen d. Das Vickers- Verfahren eignet sich wegen der harten Diamantpyramide sowohl für sehr harte Werkstoffe (im allgemeinen bis 940 HV) als auch für die Mikrohärtemessung (F < 1 N) einzelner Gefügebestandteile (z.b. HV 0,05 für Chrom- oder Titankarbide) und wegen der möglichen kleinen Prüfkraft für Messungen an dünnen Schichten und Folien. Die grundsätzlichen Versuchsbedingungen sind gleich wie beim Brinellversuch. Die Kurzbezeichnung der Härtemessung nach Vickers setzt sich zusammen aus:

12 a. dem Härtewert b. den Kennbuchstaben HV c. der Prüfkraft in kp (Umrechnung: F[kp] = F[N] / 9,80665) d. der Einwirkdauer der Prüfkraft in s, falls diese von der festgelegten Zeitspanne (10 bis 15 s) abweicht. Beispiele: 640 HV 30: Vickershärtewert 640 wurde mit einer Prüfkraft von 294,2 N = 30 kp und einer Einwirkdauer von 10 bis 15 Sekunden bestimmt. 545 HV 1/20: Vickershärtewert 545 wurde mit einer Prüfkraft von 9,807 N = 1 kp und einer Einwirkdauer von 20 s bestimmt. Beispiel für Härtewerte in der Praxis: 250 HV 50/30 (hochfester Baustahl), 700 HV 30 (gehärteter Stahl), 1600 HV 10 (Hartmetall) Seitenanfang 2.5 Rockwellhärteprüfung (DIN EN ISO 6508) Schon 1908 veröffentlichte Ludwik den Vorschlag, die Eindringtiefe eines Diamantkegels zur Beurteilung der Härte eines Werkstoffs heranzuziehen und dabei den Einfluss der Probenoberfläche durch Aufbringen einer Vorlast zu verringern. Es ist der Verdienst des Amerikaners Rockwell, auf dieser Idee aufbauend 1931 ein brauchbares Härteprüfverfahren entwickelt zu haben, welches wegen der Einfachheit seiner Durchführung schnell Eingang in die Industrie fand. Je nach Prüfvorkraft, Prüfzusatzkraft und Art des Eindringkörpers unterscheidet man zwischen verschiedenen Rockwell-Prüfverfahren. Mit dem Rockwell-B-Verfahren (Eindringkörper Stahlkugel, engl. ball) und dem Rockwell-C-Verfahren (Eindringkörper Kegel, engl. cone) sollen hier nur zwei der geläufigsten Verfahren vorgestellt werden. Härteskala Symbol Art des Eindringkörpers Prüfvorkraft F 0 Prüfgesamtkraft F 1 + F 0 B HRBS Stahlkugel, Ø 1,5875 mm 98,07 N 980,7 N B HRBW Hartmetallkugel, Ø 1,5875 mm 98,07 N 980,7 N C HRC Diamantkegel, Spitzenwinkel ,07 N 1471 N

13 Prüfkräfte und Eindringtiefen beim Rockwell-Verfahren Nach dem Aufbringen der Prüfvorkraft F 0 wird die Messuhr auf Null gestellt. Die Belastung ist in nicht weniger als 1 s und nicht mehr als 8 s durch die Prüfzusatzkraft auf F = F 0 + F 1 zu erhöhen. Die Prüfgesamtkraft sollte 4 s ± 2 s einwirken. Nimmt man nun die Prüfzusatzkraft wieder weg, werden die elastischen Anteile an der Tiefenmessung (z.b. Verformungen des Gerätegestells) eliminiert und man erhält an der Messuhr sofort die bleibende Eindringtiefe h. Aus dem Wert von h und einem bekannten Zahlenwert N sowie der Skalenteilung S wird die Rockwellhärte nach folgender Gleichung berechnet: Symbol Zahlenwert N Skalenteilung S HRB 130 0,002 mm

14 HRC 100 0,002 mm Oft ist auch die Skala direkt in Rockwellhärtegraden geeicht. Die Rockwellhärte für die Skalen B und C wird angegeben durch das Symbol HR, dem der Härtewert vorangesetzt wird und dem der Buchstabe, der die Skala bezeichnet, folgt. Beispiel: 59 HRC: Die Rockwellhärte, gemessen in der Skala C, beträgt 59.

15 Rockwell-Prüfung Die Vorteile des Rockwellverfahrens liegen in dem einfachen, gut automatisierbaren Ablauf (gemessen wird nur die Eindringtiefe eines Kegels (HRC) oder einer Kugel (HRB) nach Wegnahme einer Hauptlast), der relativ geringen erforderlichen Oberflächengüte und der direkten Beobachtung der Eindringtiefe mittels einer Messuhr. Nachteilig ist die erforderliche große Dicke des Prüflings (siehe DIN EN ISO Anhang B), Verfälschung der Messung durch plastische Verformung des Werkstücks und durch Rückfederungen im Eindruck. Die Kegeldruckhärte (HRC) ergibt etwa ab 20 Härtewerten (Zugfestigkeiten N/mm 2 ) gültige Messungen. Sie wird sehr häufig zur Serienprüfung gehärteter Teile (z.b. Härteprüfautomaten in Härtereien und Schmieden) eingesetzt.

16 Beispiele für Härtewerte in der Praxis: 45 HRC (gehärteter Stahl), 80 HRBW (Baustahl) Seitenanfang 2.6 Schlaghärteprüfung nach Poldi Bei der Poldi-Schlaghärteprüfung wird keine direkte Härte am Werkstück, sondern ein Vergleich zwischen der Eindruckkalotte des Prüflings und eines Eichstabes vorgenommen (entwickelt von der Poldihütte in Kladno bei Prag). Wegen der Erzeugung eines bleibenden Eindrucks bezeichnet man die Schlaghärteprüfung nach Poldi als dynamisch-plastisches Härteprüfverfahren. Mit einem Hammer (1000 g) oder einem Schlagbolzen mit Federvorspannung wird, wie die nebenstehende Skizze zeigt, auf die Vergleichsprobe (V) geschlagen. Auf diese Weise erzeugt die gehärtete Stahlkugel (Durchmesser D) in der Vergleichsprobe die Eindruckkalotte mit dem Durchmesser d v und in der Probe (P) einen Eindruck vom Durchmesser d p. Es hat sich gezeigt, dass sich die Härten der beiden Werkstoffe verhalten wie der reziproke Wert aus den in den Proben gebildeten Oberflächen der Eindruckkalotten (Mantelflächen M v und M p ). Poldi-Härteprüfung Wenn die Härte der Vergleichsprobe HB v bekannt ist, kann man mit den Messungen die Härte HB p der Probe errechnen (meist direkt aus Tabellen zu entnehmen). Diese einfache Härteprüfung ist nicht direkt mit statischen Härtemessungen vergleichbar. Sie wird insbesondere an großen und schweren Werkstücken (Guss-, Schmiedestücke und Stangenmaterial) vorgenommen.

17 Seitenanfang 2.7 Rückprallhärteprüfung Die Rückprallhärteprüfung basiert auf einem prinzipiellen Zusammenhang zwischen der Härte der Probe und ihrer durch den E-Modul und die Dämpfung charakterisierten Elastizität. In einem Fallrohr wird der Schlagkörper (teilweise mit Diamantspitze) von einer Feder gegen die Probenoberfläche gedrückt bzw. fällt unter dem Einfluss der Schwerkraft aus einer definierten Ausgangshöhe gegen die Prüffläche. Beim Aufprall wird praktisch die gesamte kinetische Energie des Schlagkörpers wieder in Rücksprungenergie umgewandelt. In der höchsten Rücksprunglage wird der Prüfkörper durch eine Spreizvorrichtung festgehalten. In zahlreichen Versuchen wurde eine Proportionalität zwischen Werkstückhärte und Rücksprunghöhe nachgewiesen, die eine Umwertung in die bekannten statischen Härteprüfverfahren erlaubt. Die Rückprallhärteprüfverfahren werden wegen des Fehlens einer plastischen Verformung der Werkstückoberfläche als dynamischelastische Verfahren bezeichnet und vor allem zur Überprüfung einer gleichmäßigen Wärmebehandlung an großen Bauteilen eingesetzt. Seitenanfang 3 Härtevergleich Wegen der unterschiedlichen Geometrie der Eindruckkörper und etwas abgewandelten Verfahren sind auch die statischen Prüfverfahren (Brinell, Vickers, Rockwell) nur bedingt miteinander vergleichbar.

18 Härtevergleich Einen Anhaltspunkt zum Vergleich der verschiedenen Härtewerte für Stahl gibt nebenstehendes Diagramm. Weitere Angaben findet man in der Norm DIN , in der Euronorm 8-55 sowie in ASTM E Auch die folgende Tabelle kann wegen Besonderheiten und Abweichungen von den Normprüfungen keine verbindlichen Werte angeben, genügt jedoch für Abschätzungen und Richtwerte. Bis zu einer Zugfestigkeit von R m = 1472 N/mm 2 ist die Brinellhärte, darüber hinaus die Rockwellhärte (HRC) als Bezugshärteskala gewählt.

19 Vergleich der verschiedenen Härteskalen mit ausgewählten Werkstoffen der Luft- und Raumfahrttechnik (nach ISD Stuttgart) Brinellhärte Zugfestigkeit Rockwellhärte Vickershärte Shorehärte Brinellhärte Zugfestigkeit Rockwellhärte Vickershärte Shorehärte Ø mm HB in N/mm 2 HRC HRB HV D Ø mm HB in N/mm 2 HRC HRB HV D , , ,

20 2, , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,

21 3, , , , , , , , , , , , , , , , , , , , Umrechnungstabelle für Brinellhärte, Zugfestigkeit, Rockwell-, Vickers- und Shorehärte Seitenanfang 4 Umrechnung von Härtewerten in Zugfestigkeitswerte Brinell hat in der Absicht, den Zugversuch durch die billigere und schnellere Härteprüfung zu ersetzen, nach allgemein gültigen, festen Beziehungen zwischen Härte und Zugfestigkeit gesucht. Er fand eine brauchbare Verhältniszahl, die im Laufe der Jahre durch zahlreiche Untersuchungen bestätigt und verbessert wurde. Für die meisten Stähle gilt mit praktisch ausreichender Genauigkeit R m = 3,5 HB und zwar bis R m = 1400 N/mm 2. Dann wird der Faktor größer und erreicht mit R m = 2100 N/mm 2 den Wert 4,0. Auch für andere Werkstoffe hat man Umrechnungsfaktoren ermittelt. So gilt für Grauguss R = 1/6 (Brinellhärtewert - 40) oder auch die in vielen Fällen gut zutreffende Näherung HB Härtewert = R m [N/ mm 2 ]. Die Anwendung einer dieser angenäherten Beziehungen ersetzt aber nicht den Zugversuch. Vielmehr ist die errechnete Zugfestigkeit mit einem Vermerk zu versehen, z.b. errechnet aus der Härte. Ein Beispiel für den Zusammenhang Härte / Zugfestigkeit ist in der darüberliegenden Tabelle zu finden. Seitenanfang

22 Literatur Bickel, E.: Die metallischen Werkstoffe des Maschinenbaus 4. Auflage, Springer-Verlag, Berlin-Göttingen-Heidelberg 1964 Wassermann, G.: Praktikum der Metallkunde und Werkstoffprüfung Springer-Verlag, Berlin-Göttingen-Heidelberg 1965 Domke, W.: Werkstoffkunde und Werkstoffprüfung 10. Auflage, Verlag Girardet, Essen 1992 Technische Übersichtstabellen Deutsche Edelstahlwerke AG, Krefeld Sass, F.; Ch. Bouché und A. Leitner: Dubbels Taschenbuch für den Maschinenbau 18. Auflage, Springer-Verlag, Berlin-Heidelberg-New York 1995 Lueger-Lexikon der Technik Band 3, 1961 Westbrook, J. H. und H. Conrad: The Science of Hardness Testing and its Research Applications American Society for Metals, Metals Park, Ohio 1971 Normen: DIN Härtevergleichstabellen DIN ISO 3738 Rockwell-Härteprüfung für Hartmetalle DIN ISO 3878 Vickers-Härteprüfung für Hartmetalle DIN EN ISO 6506 Härteprüfung nach Brinell DIN EN ISO 6507 Härteprüfung nach Vickers DIN EN ISO 6507 Härteprüfgeräte mit optischer Eindruck-Messeinrichtung DIN EN ISO 6508 Härteprüfung nach Rockwell

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