Leseprobe. Wolfgang W. Seidel, Frank Hahn. Werkstofftechnik. Werkstoffe - Eigenschaften - Prüfung - Anwendung ISBN:

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1 Leseprobe Wolfgang W. Seidel, Frank Hahn Werkstofftechnik Werkstoffe - Eigenschaften - Prüfung - Anwendung ISBN: Weitere Informationen oder Bestellungen unter sowie im Buchhandel. Carl Hanser Verlag, München

2 12.2 Mechanische Werkstoffprüfung Härteprüfung Lernziele Der Lernende kann... den Begriff der Härte definieren, den Zweck der Härteprüfung angeben, die Härteprüfung nach Brinell, Vickers und Rockwell gegenüberstellen, die Vor- und Nachteile der Härteprüfverfahren nennen und die wichtigsten Anwendungsfälle ableiten, das Grundprinzip der instrumentierten Härteprüfung beschreiben Übersicht Die Prüfung der Härte nach dem Eindringprinzip gehört zu den am meisten angewandten Verfahren der Werkstoffprüfung. Die Härteprüfverfahren sind schnell und einfach durchführbar. Eine aufwendige Probenvorbereitung ist nicht erforderlich. Die Härteprüfung hinterlässt auf der Oberfläche des Prüfkörpers/Werkstückes nur sehr kleine Eindrücke, die z. T. mit dem Auge kaum wahrnehmbar sind. In den meisten Fällen wird durch die Härteprüfung das Werkstoff- und Bauteilverhalten nicht wesentlich verändert. Aus diesem Grund sind bei sorgfältiger Wahl der Messstelle Härtemessungen an fertig bearbeiteten Werkstücken möglich. Auch kann durch Messungen an unterschiedlichen Stellen eines Werkstückes die Gleichmäßigkeit von Eigenschaften untersucht werden. Die Härteprüfverfahren werden in erster Linie in der Qualitätssicherung und bei der Überwachung von Fertigungsprozessen eingesetzt. Die Härtemessung eignet sich besonders gut zur Kontrolle von Wärmebehandlungen,wie z. B. dem Härten von Stahl. Allgemein wird als Härte der Widerstand eines Werkstoffes gegen das Eindringen eines anderen härteren Körpers definiert. Dabei ist zu berücksichtigen, dass dieser Widerstand natürlich von der wirkenden Kraft und der Form des Eindringkörpers abhängt. Aus diesem Grund sind die Geometrie des Eindringkörpers und die Prüfkraft bei den Eindringverfahren genormt. Härte ist der Widerstand, den ein Werkstoff dem Eindringen eines anderen (härteren) Körpers entgegensetzt. Die Härteprüfverfahren können in folgende Untergruppen unterteilt werden: Härteprüfverfahren statische Eindringverfahren Brinell Vickers Rockwell instrumentierte Eindringprüfung dynamische Härteprüfung Schlaghärteprüfung Rückprallhärteprüfung indirekte Härteprüfung elektrische Verfahren magnetische Verfahren

3 Werkstoffprüfung Bei den statischen Eindringverfahren und bei der instrumentierten Eindringprüfung wird die Prüfkraft langsam aufgebracht. Dabei dringt ein Prüfkörper in den zu prüfenden Werkstoff ein (Bild ). Die entstehenden plastischen Verformungen werden als Maß für die Härte des Werkstoffes betrachtet. Der Kennwert der Härte wird daher häufig als Quotient von aufgebrachter Prüfkraft und der Oberfläche des Eindruckes festgelegt. Verschiedene statische Eindringverfahren unterscheiden sich in der Form der Eindringkörper (Kugel, Kegel, Pyramide), im Werkstoff des Eindringkörpers (Hartmetall, Diamant), in der Größe der aufgebrachten Kraft sowie in der Art der Ermittlung der Härtewerte. Vom Prüfstück wird lediglich verlangt, dass es glatt, planparallel, zunder- und schmiermittelfrei ist. Auf die wichtigsten statischen Eindringverfahren und die instrumentierte Eindringprüfung wird in den anschließenden Abschnitten vertieft eingegangen. Bei der dynamischen Härteprüfung wird die Prüfkraft schlagartig aufgebracht. Die Härte wird entweder, wie bei den statischen Verfahren, durch Ausmessen des Härteeindruckes oder durch Energiemessung ermittelt. So wird bei der Rückprallhärtemessung der Energieverlust aus der Fall- und Steighöhe des Eindringkörpers bestimmt. Dieser Energiebetrag ist proportional zur Härte. Dynamische Härteprüfverfahren sind ungenauer als statische Prüfverfahren und werden in erster Linie für den mobilen Einsatz verwendet. Bild Allgemeines Schema der Härtemessung (statische Eindringverfahren) Vorteile der Härteprüfung: schnell und einfach durchführbar keine aufwendige Probenpräparation kaum Beeinflussung/Zerstörung des Werkstückes z. T. mobil einsetzbar und automatisierbar (Prozesskontrolle) Nachteile der Härteprüfung: liefert keine Aussage zur Zähigkeit und Duktilität des Werkstoffes erlaubt nur eine begrenzte Vergleichbarkeit mit den Festigkeitseigenschaften es gibt sehr viele unterschiedliche Prüfverfahren Einsatz der Härteprüfung: Überprüfung von Wärmebehandlungseigenschaften (auch Härteverläufe) Untersuchung der Gleichmäßigkeit von Eigenschaften Werkstoffsortierung Bei der indirekten Härteprüfung werden elektrische oder magnetische Eigenschaften (z. B. Koerzitivfeldstärke) bestimmt. Bei diesen Verfahren wird ausgenutzt, dass sich Gefügeänderungen (z. B. der Martensitgehalt) sowohl auf die Härte des Werkstoffes als auch auf die elektrischen und/oder magnetischen Eigenschaften des Werkstoffes auswirken. Eine Kalibrierung der Prüfgeräte mit Kalibrierkörpern bekannter Härte und Zusammensetzung ist unbedingt erforderlich.

4 12.2 Mechanische Werkstoffprüfung Härteprüfung nach Brinell Die Härteprüfung nach Brinell ist ein wichtiges statisches Eindringverfahren für metallische Werkstoffe und in der DIN EN ISO 6506 genormt. Bei der Härteprüfung nach Brinell wird eine Hartmetallkugel mit dem Durchmesser D mit der Prüfkraft F senkrecht in die Oberfläche einer Probe eingedrückt (Bild ). Die Prüfkraft ist langsam und stoßfrei aufzubringen (Aufbringzeit) und eine definierte Zeit zu halten (Haltezeit). Nach der Wegnahme der Prüfkraft F wird der Eindruckdurchmesser d gemessen. Um einen möglichst repräsentativen Härtewert zu erhalten, ist die 10-mm-Hartmetallkugel zu bevorzugen. Die zu wählende Prüfkraft richtet sich nach dem Beanspruchungsgrad (= 0,102 F/D 2 ), der wiederum vom zuprüfenden Werkstoff abhängt. In Tabelle sind für einige Werkstoffe und den Kugeldurchmesser D = 10 mm die Beanspruchungsgrade und die zugehörigen Prüfkräfte aufgeführt. Bild Prüfprinzip der Härteprüfung nach Brinell; D Kugeldurchmesser; d Durchmesser des Eindruckes Eindringkörper: Hartmetallkugel mit dem Durchmesser D = 1; 2,5; 5 oder 10 mm Prüfkraft: richtet sich nach dem Beanspruchungsgrad = 0,102 F/D 2 Einwirkdauer: 2...8s Aufbringzeit und s Haltezeit Anwendung: metallische Werkstoffe mit maximal 650 HBW, vor allem Gusseisen, große Schmiedestücke, mehrphasige inhomogene Legierungen Tabelle Beanspruchungsgrade bei der Härteprüfung nach Brinell für ausgewählte Werkstoffe entsprechend der DIN EN ISO 6506 Werkstoff Stahl, Ni- und Ti-Legierungen zuerwartende Brinellhärte HBW Beanspruchungsgrad 0,102 F/D 2 in N/mm ,42 kn Gusseisen < ,81 kn Leichtmetalle und Leichtmetalllegierungen ,42 kn < 35 2,5 2,45 kn ,9 kn 10 9,81 kn 15 14,71 kn > ,81 kn 15 14,71 kn Prüfkraft F bei einem Kugeldurchmesser D = 10 mm

5 Werkstoffprüfung Entsprechend Bild sind die Randabstände und die Abstände zwischen den einzelnen Härteeindrücken zu berücksichtigen. Außerdem muss der Durchmesser des Eindruckes in einem Bereich von 0,24D d 0,6D liegen. Wird der Eindruck zu klein, lassen sich die Eindruckkanten nur noch ungenau bestimmen. Wird er zu groß, wird Material zu einer unzulässigen Wulst seitlich verdrängt. Bei einer zu großen Eindringtiefe h markiert sich die Kugel auf der Rückseite des zu prüfenden Werkstückes und die ermittelte Härte wird tendenziell zu klein. Der Werkstoff wird um den Härteeindruck plastisch verformt und damit verfestigt. Deshalb ist zwischen zwei Härteeindrücken ein Mindestabstand einzuhalten. Nach Entlastung und Wegnahme des Prüfkörpers wird der Durchmesser d des Härteeindruckes ausgemessen. Das erfolgt, entsprechend Bild , zweimal und zwar um 90 versetzt. Der Härtewert nach Brinell HBW ergibt sich aus dem Quotienten der aufgewendeten Prüfkraft F zur Oberfläche des erzeugten Eindruckes (Oberfläche eines Kugelabschnittes, auch Kalotte genannt). Anmerkung: In der Praxis ist es nicht üblich den Härtewert zu berechnen. In entsprechenden Tabellen, die z. B. auch an die DIN EN ISO 6506 angehängt sind, kann in Abhängigkeit vom Kugeldurchmesser,der Prüfkraft und dem Mittelwert des Eindruckdurchmessers die Härte abgelesen werden. Die Härteprüfung nach Brinell mit einer Stahlkugel (ehemals HBS) ist nicht mehr genormt und nicht mehr üblich. Das Härteprüfverfahren nach Brinell ist für Werkstoffe mit einer maximalen Härte von 650 HBW zulässig. Es wird in erster Linie für große Stahlgussstücke sowie für Grauguss angewendet. Insbesondere bei anisotropen metallischen Werkstoffen oder bei mehrphasigen Werkstoffen, bei denen sich die Härte der Einzelphasen erheblich voneinander unterscheidet, können mithilfe des Brinellverfahrens aussagekräftige mittlere Härtewerte bestimmt werden. Die Kugelform des Ein- >8h D >2,5d >3d d h Bild Abstände der Brinellhärteeindrücke d 1 d 2 Bild Durchmesserbestimmung des Brinellhärteeindruckes Der Härtewert nach Brinell HBW ergibt sich aus dem Quotienten der aufgewendeten Prüfkraft F zur Oberfläche des erzeugten Kugeleindruckes. Prüfkraft HBW = 0,102 Oberfläche des Eindruckes 2 F HBW = 0,102 π D (D ) D 2 d 2 Konstante 0,102 = 1 1 = g n 9, g n Fallbeschleunigung in m/s 2 F Prüfkraft in N D Durchmesser der Kugel in mm d mittlerer Durchmesser des Härteeindruckes in mm Härteangabe: 240 HBW 5/750/30 bedeutet: Brinellhärte 240 bestimmt mit einer Hartmetallkugel mit dem Durchmesser 5 mm und einer Prüfkraft von 7,355 kn, die jedoch 30 seinwirkte. Bei einer Haltezeit von s kann diese Angabe entfallen.

6 12.2 Mechanische Werkstoffprüfung 351 dringkörpers führt zu einer ständigen Änderung des Spannungszustandes. Damit sind die ermittelten Härtewerte lastabhängig. Ein direkter Vergleich von Brinellhärtewerten, die mit unterschiedlichen Prüfkräften und/oder Kugeldurchmessern ermittelt wurden, ist nur dann erlaubt, wenn der Beanspruchungsgrad übereinstimmt. Vorteile der Brinellhärteprüfung: Eindringkörper Kugel führt auch bei zweiphasigen und anisotropen Werkstoffen zu gemittelten Härtewerten robuster Eindringkörper Nachteile der Brinellhärteprüfung: lastabhängige Härtewerte Werkstoffe mit hohen Härten nicht prüfbar Bedienereinfluss auf den Härtewert durch manuelles Ausmessen der Eindruckdurchmesser Härteprüfung nach Vickers Die Härteprüfung nach Vickers hat wegen ihrer Vielseitigkeit und hohen Genauigkeit eine weite Verbreitung in der Technik gefunden. Prinzipiell ist das statische Eindringverfahren nachvickers dem Brinellverfahren ähnlich. Das Prüfverfahren ist für metallische Werkstoffe in der DIN EN ISO 6507 genormt. Bei der Härteprüfung nach Vickers wird eine Diamantpyramide mit einer quadratischen Grundfläche und einem Spitzenwinkel von 136 mit der Prüfkraft F senkrecht in die Oberfläche einer Probe eingedrückt (Bild ). Die Oberfläche muss eben, zunder- und fettfrei sein. Die Prüfkraft ist langsam und stoßfrei aufzubringen und eine definierte Zeit zu halten. Nach Rücknahme der Prüfkraft F werden die Diagonalen d 1 und d 2 des Eindruckes gemessen. Wie beim Brinellverfahren sind zur korrekten Bestimmung der Härte nach Vickers definierte Abstände zum Rand der Probe und zu benachbarten Härteeindrücken einzuhalten (Bild ). Die Prüfkräfte werden eingeteilt in den konventionellen Härtebereich, in den Kleinkraftbereich und in den Mikrohärtebereich (Tabelle ). Für die Bestimmung eines repräsentativenhärtewertes ist in der Regel der konventionelle Härtebereich vorgesehen, wobei HV 30 mit einer Prüfkraft von 294,2 N zu bevorzugen ist. Bei sehr weichen Werkstoffen wird in der Regel eine kleinere und bei sehr harten Werkstoffen eine größere Prüfkraft verwendet. Diamantpyramide F 136 Probe 136 d 1 d 2 Bild Prinzip der Härteprüfung nach Vickers; die Diagonalen des Härteeindruckes d 1 und d 2 werden nach Entlastung gemessen Eindringkörper:Diamantpyramide mit quadratischer Grundfläche und einem Spitzenwinkel von 136 Prüfkraft: Esgibt drei Härtebereiche (konventioneller Härtebereich, Kleinkrafthärtebereich, Mikrohärtebereich) mit den in Tabelle aufgeführten Prüfkräften. Einwirkdauer: 2...8s Aufbringzeit und s Haltezeit

7 Werkstoffprüfung Tabelle Härtebereiche und Prüfkräfte für die Vickershärtemessung Anwendung der Vickershärteprüfung: nahezu alle metallischen Werkstoffe Aufnahme von Härteverläufen (z. B. an einsatzgehärteten Querschnitten mit der Härtemessung im Kleinkraftbereich) Prüfung dünner Bauteile (Bleche) und Schichten möglich (Kleinkraftbereich) Bestimmung der Härte in einzelnen Gefügebestandteilen (Mikrohärtebereich) Konventioneller Härtebereich Kleinkraftbereich Mikrohärtebereich Härtesymbol Prüfkraft F in N Härtesymbol Prüfkraft F in N Härtesymbol Prüfkraft F in N HV 5 49,03 HV 0,2 1,961 HV 0,01 0, HV 10 98,02 HV 0,3 2,942 HV 0,015 0,147 HV ,1 HV 0,5 4,903 HV 0,02 0,196 1 HV ,2 HV 1 9,807 HV 0,025 0,245 2 HV ,3 HV 2 19,61 HV 0,05 0,490 3 HV ,7 HV 3 29,42 HV 0,1 0,980 7 Der Kleinkraftbereich ist besonders für Härteverläufe zur Bestimmung von Härtegradienten (z. B. nach dem Randschichthärten) geeignet. Um die sehr kleinen Härteeindrücke ausmessen zu können, sind Härteprüfgeräte zur Bestimmung der Mikrohärte in der Regel mit einem Mikroskop eventuell einem Rasterelektronenmikroskop verbunden. Mit diesem Verfahren ist es möglich die Härte in sehr dünnen Schichten oder in einzelnen Gefügebestandteilen zu ermitteln. Aus den gemessenen Diagonalenlängen d 1 und d 2 wird der Mittelwert dgebildet. Der Härtewert nach Vickers HV ergibt sich aus dem Quotienten der Prüfkraft F und der Oberfläche des Eindruckes (Spitze der vierseitigen Pyramide des Eindruckes). In der Norm DIN EN ISO 6507 befindet sich ein umfangreicher Tabellenanhang, in dem in Abhängigkeit von der Prüfkraft und dem mittleren Diagonalenabstand der Härtewert abgelesen werden kann. >1,5d > 2,5d für Stahl, Cu > 3d für Stahl, Cu >3dfür Al, Zn, Pb >6dfür Al, Zn, Pb d Bild Abstände der Vickerseindrücke Der Härtewert nach Vickers HV ergibt sich aus dem Quotienten der aufgewendeten Prüfkraft F zur Oberfläche des Härteeindruckes (Spitze der Pyramide). Prüfkraft HV = 0,102 Oberfläche des Eindruckes 2 F sin 136 HV = 0,102 2 d 2 0,1891 F d 2 F Prüfkraft in N d Mittelwert der beiden Diagonalenlängen in mm

8 12.2 Mechanische Werkstoffprüfung 353 Das Härteprüfverfahren nach Vickers kann für nahezu alle Werkstoffe eingesetzt werden. Aufgrund der Geometrie der Diamantpyramide ändert sich im Gegensatz zum Brinellverfahren der Spannungszustand während der Prüfung nicht. Das führt im konventionellen Härtebereich (Prüfkraft F > 49,03 N) zu lastunabhängigen Härtewerten.Probleme können bei diesem Verfahren auftreten, wenn der Werkstoff stark anisotrop ist oder Gefügebestandteile mit starken Härteunterschieden aufweist. Das kann dazu führen, dass eine der beiden Diagonalen deutlich kleiner ist. Unterschiede in der Diagonalenlänge > 5% sind nicht zulässig. Bei sehr spröden Werkstoffen (z. B. Keramiken) kann der Härteeindruck zur Rissbildung, von den Kanten des Härteeindruckes ausgehend, führen. Härteangabe: 640 HV 30 bedeutet: Vickershärte 640, bestimmt mit einer Prüfkraft von 294,2 N. Die Prüfkraft wirkte, wie in der DIN EN ISO 6507 vorgesehen, sein. Vorteile der Vickershärteprüfung: lastunabhängige Härtewerte im Bereich der konventionellen Härteprüfung hohe Genauigkeit breites Anwendungsspektrum Nachteile der Vickershärteprüfung: empfindlicher Eindringkörper Bedienereinfluss auf den Härtewert durch manuelles Ausmessen der Eindruckdiagonalen Rissausbreitung bei sehr spröden WS von den Kanten der Pyramide ausgehend Messprobleme bei härtebeeinflussenden Zweitphasen oder stark anisotropen Werkstoffen Oberflächenabstand 50 µm Bild Härteeindrücke zur Bestimmung des Härtetiefenverlaufes an einer einsatzgehärteten Schicht (Messverfahren HV 0,1) Härteprüfung nach Rockwell (HRC) Das statische Härteprüfverfahren nachrockwell, gemessen in der Skala C(HRC), zeichnet sich durch eine schnelle Durchführbarkeit und einfache Auswertung aus. Es bietet sich deshalb zur schnellen Überprüfung von Werkstoffeigenschaften nach der Wärmebehandlung insbesondere an gehärteten und vergüteten Stählen an. Die Härteprüfung nach Rockwell ist in der DIN EN ISO 6508 genormt. Bild Prüfprinzip der Härteprüfung nach Rockwell HRC

9 Werkstoffprüfung Bei der Härteprüfung nach Rockwell HRC wird ein Diamantkegel in zwei Stufen (Prüfvorkraft und Prüfzusatzkraft) indie Probe gedrückt (Bild ). Beide Kräfte sind langsam und stoßfrei aufzubringen und die Prüfzusatzkraft ist eine definierte Zeit zu halten. Nach Rücknahme der Prüfzusatzkraft und unter Wirkung der Prüfvorkraft wird die bleibende Eindringtiefe hgemessen. Da mit zunehmender Härte eines Werkstoffes die Eindringtiefe h kleiner wird, erhält man steigende Kennwerte, indem die auf die Skaleneinteilung bezogene Eindringtiefe h von 100 abgezogen wird. Im Gegensatz zur Härteprüfung nach Vickers und Brinell ist der Härtewert direkt von der Eindringtiefe abhängig. Das Ausmessen der Eindruckoberfläche ist nicht notwendig. Die Rockwellhärteprüfgeräte zeigen in der Regel den Härtewert direkt an. Für die einzuhaltenden Abstände zum Rand der Probe und zwischen zwei Härteeindrücken sind die im Bild angegebenen Werte maßgebend. Eindringkörper: Diamantkegel mit einem Kegelwinkel von 120 Prüfkraft: Prüfvorkraft F 0 = 98,07 N, Prüfzusatzkraft F 1 = 1,373 kn Einwirkdauer: 1...8s Aufbringzeit der Prüfzusatzkraft F 1,2...6s Haltezeit für die Gesamtkraft (F 0 + F 1 ) Anwendung der Rockwellhärtemessung: zur Überprüfung von Wärmebehandlungseigenschaften an gehärteten/vergüteten Stählen oder für höherfeste Baustähle zur Bestimmung der Auf- und Einhärtbarkeit von Stählen Der Härtewert nach Rockwell, gemessen nach der Skala C, ergibt sich, indem die auf die Skaleneinteilung S bezogene Eindringtiefe h von 100 abgezogen wird. HRC = 100 h S = 100 h 0,002 Das Rockwellverfahren HRC darf nur für Werkstoffe mit einer Härte zwischen 20 HRC und 70 HRC angewandt werden. Das heißt, es ist für die meisten weicheren Metalle wie Aluminium- und Kupferlegierungen, aber auch für viele weiche Stähle nicht zulässig. Die Empfindlichkeit des Verfahrens ist im Vergleich zu Vickers gering. Da bei HRC die Prüfkraft nicht variiert bzw. verringert werden kann, ist eine Messung der Härte an dünnen Schichten von einzelnen Gefügebestandteilen oder von Härteverläufen (z. B. an oberflächengehärteten Stählen) nicht möglich. Da der Härteeindruck nicht optisch ausgemessen werden muss, ist das Verfahren problemlos automatisierbar und unabhängig vom Bediener.Die Härteprüfung nach Rockwell HRC wird außerdem genutzt, um die Härtbarkeit von Stählen (siehe Abschnitt 4.2.2) zu untersuchen. Härteangabe: Beispiel: 59 HRC bedeutet, die Rockwellhärte, gemessen nach der Skala C, beträgt 59. >10h >2,5h h >4h Bild Abstände der Rockwellprüfeindrücke (HRC) Vorteile der Rockwellhärteprüfung: direktes Ablesen der Härte möglich kein Bedienereinfluss auf den Härtewert sehr gut automatisierbar Nachteile der Rockwellhärteprüfung: geringe Auflösung der Härtewerte keine weichen Werkstoffe prüfbar für dünne Schichten ungeeignet