Praktikum Werkstofftechnik

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1 Praktikum Werkstofftechnik Versuch: Härteprüfung Name: Datum: Gruppe: Betreuer: Aufgabe: - Ermittlung der Härte folgender Stahlsorten: C45H, C45N, C60N mit dem Vickers -Verfahren - Ermittlung der Härte von Aluminium, Kupfer und Messing mit dem Brinell - Verfahren - Auswertung der Messergebnisse Hilfsmittel: - Brinell - Härteprüfmaschine - Vickers - Härteprüfmaschine

2 Beschreibung der Härteprüfverfahren nach Brinell und nach Vickers Beide Verfahren gehören zu den statischen Härteprüfverfahren, die mit geringen Fehlern arbeiten ( Fehler kleiner 5 %). Bei den statischen Verfahren wird die Probe einer kontinuierlich bis zur Maximalkraft (Fmax) ansteigenden Prüfkraft ausgesetzt (übertragen durch den Eindringkörper). Mittels der Messeinrichtung wird danach der Eindruckdurchmesser (Brinell) oder die Eindruckdiagonale (Vickers) gemessen. Das sind Bestimmungsgrößen für die Härte im jeweiligen Verfahren. HPV nach Brinell (DIN EN ISO ) Das Brinellhärteprüfverfahren benutzt als Eindringkörper eine gehärtete Stahlkugel oder eine Hartmetallkugel. Es können verschiedene Kugeldurchmesser ( 1, 2, 2.5, 5 und 10 mm ) verwendet werden. Den verschiedenen Durchmessern wird die max. Prüfkraft zugeordnet. ( z.b. Durchmesser 2.5 mm Fmax=306 N). Durch diese Zuordnung wird erreicht, dass der Belastungsgrad an der Kugeloberfläche nahezu konstant bleibt. In der Praxis wird als erstes mit einer Kugel vom Durchmesser 2.5 mm geprüft. Wenn ein zu kleiner Abdruck entsteht wird der Kugeldurchmesser und die Kraft erhöht. Falls der Eindruck zu groß ist, wird die Kraft und der Kugeldurchmesser verringert. Die Krafthaltedauer beträgt im Standardfall (bei allen HPV ähnlich), je nach der Härte der Probe s bzw s. Bestimmungsgrößen für die Härte sind: Prüfkraft F in N Kugeldurchmesser in mm Eindruckdurchmesser in mm Die Berechnung der Brinellhärte erfolgt nach folgender Vorschrift: HB = 2*0,102*F *D(D- (D²-d²)) Schreibweise: HB (Normalfall D=10mm, F=29420 N, t e = s) HB 5 / 250 / 30 ( D=5mm, F=250 kp, t e =30s) Anwendung: - Das Brinellverfahren wird für weiche bis mittelharte Werkstoffe verwendet.

3 HPV nach Vickers (DIN EN ISO ) Dieses Verfahren nutzt als Eindringkörper keine Kugel, sondern eine Diamantpyramide mit quadratischer Grundfläche. Der Eindringkörper ist für alle Proben gleich. Da Diamanten zu den härtesten Stoffen gehören, ist es möglich Härte bis zu einem Wert von etwa 850HV zu messen. Die Prüfkräfte variieren im Makrobereich zwischen 49 N und 981 N. Im Standardfall wird mit einer Höchstkraft von 294 N oder bzw. 29,97 kp und einer Krafthaltedauer von s geprüft. Da die Diamantpyramide mit ihrem Spitzenwinkel an den Tangentenwinkel einer Kugel angepasst wurde, ist die Vickershärte der Brinellhärte ähnlich. Die Umrechnung zur Brinellhärte lautet: HB = 0.95 HV (für HB 400 HB ). Bestimmungsgrößen für die Härte sind: Prüfkraft F in N Das arithmetische Mittel der 2 Eindruckdiagonalen in mm Die Berechnung der Brinellhärte erfolgt nach folgender Vorschrift: HV = 0,189*F d² Schreibweise: HV (Normalfall: F=294 N, t e = s) HV 50 / 30 ( F=50 kp, t e =30s) Anwendung: - für mittelharte bis sehr harte Werkstoffe Modifikationen: - Vickerspyramide identisch, Kräfte verschieden 1.) Makrohärte: F = N 2.) Kleinlasthärte: F = N 3.) Mikrohärte: F 2 N 4.) Nanohärte: F = 100 nn 5 mn

4 Messwerte und Berechnungen: Brinellverfahren: - max. Prüfkraft F = 306 N - Krafthaltedauer ca. 1s ( für unsere Zwecke ausreichend) - Kugeldurchmesser 2.5 mm Es wurde jede Probe an drei verschiedenen Stellen geprüft. Werkstoff d in mm d gemittelt in mm Brinellhärte 0,65 Messing 0,65 0,66 0, ,5 0,55 Alu 0,55 0,56 0, ,2 0,69 Kupfer 0,71 0, ,9 Beispielrechnung Messing: HB = 2*0,102*F *D(D- (D²-d²)) HB = 2* 0,102*306 N *2,5 mm*(2,5 mm- ((2,5 mm)²-(0,653 mm)²)) Messing: 91,5 HB 2,5 / 31,2 andere Proben werden analog berechnet.

5 Vickersverfahren - max. Prüfkraft: F = 294 N - Krafthaltedauer ca. 1s Es wurde jede Probe an drei verschiedenen Stellen geprüft. Werkstoff d 1 in mm d 2 in mm d gemittelt in mm Vickers- Härte 0,28 0,27 C 45 H 0,27 0,275 0, ,3 0,3 0,3 0,54 0,54 C 45 N 0,52 0,53 0, ,9 0,54 0,55 0,495 0,495 C 60 N 0,51 0,50 0,50 222,3 0,50 0,50 Bespielrechnung: z.b. für C 45 H HV = 0,189*294 N (0,283 mm)² C45 H: 696,3 HV HV = 0,189*F d² andere Proben sind analog zu bestimmen. Zusammenfassung: Messing: 91,5 HB 2,5 / 31,2 Aluminium: 128,2 HB 2,5 / 31,2 Kupfer 77,9 HB 2,5 / 31,2 C 45 H: 696,3 HV (gehärtet) C 45 N: 192,9 HV (normalgeglüht) C 60 N : 222,3 HV (normalgeglüht)

6 Auswertung: Vergleich der Übergangsmetalle / Nichteisen-Metalle: Man kann erkennen, dass sich die Härten der vorliegenden Proben nicht allzu sehr unterscheiden. Dies kann man dadurch erklären, dass es sich hierbei um Nichteisen-Metalle handelt, die im Periodensystem der Elemente relativ nah beieinander liegen und demzufolge ähnliche elementare Eigenschaften wie z.b. relative Atommassen und spezifische Dichten besitzen. Das Aluminium ist etwas härter als die anderen beiden. Es könnte durch Dispersionshärtung behandelt worden sein. Das heißt, es sind Fremdatome in das Aluminium eingebaut, die Hindernisse für die Versetzungsbewegung darstellen. Die Folge ist, Härte und Festigkeit steigt. Vergleich der Stahlarten Der Härtegrad ist abhängig von der Zusammensetzung und dem Aufbau der Proben: Wenn man verschiedene Stahlsorten, mit identischer Wärmebehandlung bezüglich ihrer physikalischen Eigenschaften vergleicht, erkennt man, dass sie im wesentlichen von der Menge des im Eisengitter enthaltenen Kohlenstoffs und seiner Verteilung abhängen. Die Härte ist ein Beispiel für dieses Verhalten. Der typische Stahl ist ein Gemisch aus Ferrit, Zementit und Perlit. Ferrit auch - Eisen genannt besitzt ein krz-gitter. Es enthält nur einen geringen Prozentsatz an Kohlenstoff. Zementit besteht aus der chemische Verbindung Eisencarbid (Fe 3 C). Diese Verbindung ist sehr spröde und hart und enthält einen hohen Anteil (6,67%) Kohlenstoff. Perlit ist eine Mischung aus Ferrit und Zementit mit spezieller Zusammensetzung und Struktur. Die physikalischen Eigenschaften des Perlits liegen zwischen denen der beiden Bestandteile. Bei identisch behandelten Stählen hängt die Härte von den Anteilen der drei Gefügearten ab.. Wird der Kohlenstoffgehalt eines Stahls größer, nimmt die in ihm enthaltene Menge an Ferrit ab, der Prozentsatz des Perlits steigt, bis der Stahl aus komplett aus Perlit besteht. Dies ist bei 0,8% Kohlenstoffgehalt der Fall.. Damit kann man die höhere Härte des C60N-Stahls gegenüber dem C45N-Stahl erklären. ( C60 bedeutet 0.6 % Kohlenstoff, C % Kohlenstoff.). Sie sind beide normalgeglüht. Mit zunehmenden Kohlenstoffgehalt steigt die Härte des Stahls (identische Wärmebehandlung) Man kann auch einen deutlichen Unterschied zwischen der C 45 N Probe und der C45 H Probe erkennen. Dieser Unterschied folgt aus der Wärmebehandlung der C45 H Probe. Durch die Wärmebehandlung wird die kristalline Struktur des Stahls geändert. Der Stahl C 45 H wurde gehärtet. Bei diesem Verfahren wird der Werkstoff aus dem Austenit - Gebiet mit großer Geschwindigkeit abgekühlt. Im Austenit - Gebiet ist der gesamte freie Kohlenstoff im Metall gelöst. Wird das Metall nun abgeschreckt, so wird der metastabile Zustand des Systems eingefroren. Die Kohlenstoffatome können durch kurze Abkühlzeit nicht aus dem Eisen-Grundgitter herausdiffundieren und es kommt zu starken Gitterspannungen, welche die große Härte bewirken.