Labor für Werkstoffanalytik

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1 Labor für Werkstoffanalytik Schriftliche Vorbereitung zur Übung Härteprüfung erarbeitet von Marcel Prinz Veranstaltungstechnik & -management Fachsemester 2 Folgende Schwerpunkte sind in der schriftlichen Vorbereitung zu berücksichtigen: Grundprinzipien der Härteprüfung Zusammenhang von Härte und anderen Werkstoffeigenschaften statische und dynamische Prüfverfahren Anwendungsfelder und Grenzen der Verfahren Prüfkörper, Prüfkräfte, Härteskalen normgerechte Prüfbedingungen (Probendicke, Abstände der Prüfeindrücke) normgerechte Härteangaben Vergleichbarkeit der Verfahren Fachbereich VIII Maschinenbau, Verfahrens- und Umwelttechnik

2 Härteprüfung Grundprinzipien der Härteprüfung Der Begriff der Härte wurde schon frühzeitig bei der Qualitätsbeurteilung von Werkzeugen, Gebrauchsgegenständen und Waffen geprägt. Beginn einer im engeren Sinne quantitativen Bewertung der Härte fester Stoffe ist die 1822 von Mohs aufgestellte Härteskala, die von Talg (Härtestufe 1) über acht weitere ausgewählte Minerialen bis hin zu Diamant (Härtestufe 10) reicht. Bei Mohlshärteskala erfolgt die Prüfung durch ritzen. Ritzt eine Stoff ein andere so ist er härter als der vorherige. Mit der Vorstellung eines neuen Prüfverfahrens im Jahre 1900, das nicht mehr ritzend, sondern vertikal eindrückend arbeitete, verlor die Mohssche Skala fast schlagartig ihre Bedeutung. Zwischen 1900 und 1940 wurden weitere Verfahren nach dem vertikalen Prinzip entwickelt, wovon sich am Ende weltweit die Härteprüfverfahren nach Brinell, Rockwell Vickers und Knoop durchsetzten. Bereits Mohs verstand die Härte als Eindringwiderstand. Um 1900 schlug Martens als Begriffsbestimmung vor: Härte ist der Widerstand, den ein Körper dem Eindringen eines anderen (härteren) Körpers entgegensetzt. Für die Größe des Eindringwiderstandes sind Gestalt und Größe des verwendeten Eindringkörpers maßgeblich. Bei fast allen Härteprüfverfahren erfolgt das Quantifizieren der Härte nach der allgemeinen Beziehung: Härtewert = Prüfkraft / Eindruckgröße, wobei die Eindruckgröße auf unterschiedliche Weise definiert bzw. ermittelt wird. Härteprüfungen können aus verschiedenn Gründen vorgenommen werden: zur Beurteilung des Verschleißverhaltens oder der Druckbelastbarkeit von Werkstoffen, zur Überprüfung der Wirksamkeit von Werkstoffbehandlungsverfahren, die mit einer Härte veränderung einhergehen oder unmittelbar darauf abzielen: Kaltverfestigung, Wärmebehandlungen, Aushärten usw., Um Rückschlüsse auf andere Werkstoffeigenschaften zu ermöglichen, z.b. Festigkeit. Die wichtigsten Verfahren zur Ermittlung der Härte sind - die Prüfverfahren nach Brinell, Vickers und Rockwell für Metalle, - die Prüfverfahren nach Shore A und Shore D für Kunststoffe. 8 erarbeitet von Marcel Prinz

3 Zusammenhang von Härte und anderen Werkstoffeigenschaften In der Absicht, den Zugversuch durch die billigere Härteprüfung zu ersetzen, fand Brinell zwar keine allgemein gültige, feste Beziehung zwischen Härte und Zugfestigkeit, aber doch eine brauchbare Verhältniszahl, die im Lauf der Jahre durch zahlreiche Untersuchungen bestätigt und verbessert wurde. Für die meisten Stähle gilt mit praktisch ausreichender Genauigkeit R m» ( 3,5 *Brinellhärte) N/mm², und zwar bis Rm =1400 N/mm². Dann wird der Faktor größer und erreicht mit R m = 2100 N/mm² den Faktor 4,0. Auch für andere Werkstoffe hat man Umrechnungsfaktoren ermittelt. So gilt für 30 mm dicke Probestäbe aus Grauguß R m» (Brinellhärte 120) N/mm². 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 statische und dynamische Prüfverfahren In der Werkstoffkunde, speziell bei den Metallen, werden vor allem Prüfverfahren eingesetzt, welche die Eindringhärte messen. Dabei werden genormte Prüfkörper unter festgelegten Bedingungen in das Werkstück gedrückt. Im Anschluss wird die Oberfläche oder Tiefe des bleibenden Eindruckes gemessen. Prinzipiell unterscheidet man statische und dynamische Härteprüfverfahren. Die dynamischen Prüfverfahren bringen die Belastung des zu prüfenden Teiles schlagartig auf; bei den statischen Verfahren ist die Belastung gleich bleibend oder allmählich zunehmend. Bei den dynamischen Härtemessungen wird der Prüfkörper mittels kinetischer Energie in das Werkstück eingetrieben und die Verformung des Werkstückes an dieser Stelle gemessen. Die hierfür benutzten Geräte sind meistens ortsbeweglich und deshalb im Fertigungsbetrieb leicht einzusetzen. Sie sind besonders zur Härtemessung an großen oder sperrigen Teilen geeignet. Anwendungsfelder und Grenzen der Verfahren erarbeitet von Marcel Prinz 9

4 Härteprüfung Prüfkörper, Prüfkräfte, Härteskalen Verfahren Brinell Vickers Rockwell Prüfkörper Prüfkraft Kugel aus gehärtetem Stahl od. Hartmetall. Durchmesser D abhängig von der Probendicke s. Für genaue Messungen Eindringbereich von d=0,2xd bis 0,7xD Vergleichbare Ergebnisse für gleichen Belastungsgrad. C=0,102x F/D mit F in N und D in mm. (Faktor aufgrund der Umrechnung von Kilopond in Newton) Quadratische Diamantpyramide Probendicke s > 1,5xd Beliebig 49 bis 980 N (Kleinlast 1,96 bis 49 N) Diamantkegel oder gehärtete Stahlkugel Einwirkzeit t = 10 bis 15s t= 10 bis 15s etwa 4s Meßwert Mittlerer Eindruckdurchmesser bleibende Eindringtiefe h d m =(d 1 +d 2 )/2 in mm Berechnung Brinellhärte HB=0,102* F/A Eindruckoberfläche A=π/2*D(D- (D-d)) Vickershärte HV=0,102*F/A Eindruckoberfläche A=d 2 /1,854 Rockwellhärte HR=N-(h/S) normgerechte Prüfbedingungen (Probendicke, Abstände der Prüfeindrücke) Der Abstand zwischen den auf den Prüfplatten gemachten Eindrücken wird von Eindruckmitte zu Eindruckmitte bzw. von Eindruckmitte zum Werkstückrand gemessen und sollte: für Rockwell-Prüfungen: mindestens 4 x dem Eindruckdurchmesser, nicht unter 2 mm (Randabstand: mindestens 2,5 x dem Eindruckdurchmesser, nicht unter 1 mm) für Brinell: mindestens 3 x dem Eindruckdurchmesser (Randabstand: mindestens 2,5 x dem Eindruckdurchmesser für Vickers: mindestens 3 x dem Eindruckdurchmesser (Randabstand: mindestens 3 x dem Eindruckdurchmesser betragen 10 erarbeitet von Marcel Prinz

5 normgerechte Härteangaben Normgerechte Angabe eines Brinell-Härtewertes 245 HBW 2,5 / 187,5 / 20 I Prüfzeit in sec, wenn der Wert außerhalb des Bereiches von 10 bis 15 s liegt I Prüfkraft in kg (entspricht 1839 N) I Kugeldurchmesser in mm I Härte nach Brinell mit Hartmetallkugel W I Brinell-Härtewert (Härtezahl) Normgerechte Angabe eines Vickers-Härtewertes 485 HV 30 / 20 I Prüfzeit in sec, wenn der Wert außerhalb des Bereiches von 10 bis 15 s liegt I Prüfkraft in kp (entspricht 294 N) I Kugeldurchmesser in mm I Härte nach Vickers I Vickers-Härtewert Normgerechte Angabe eines Rockwell-Härtewertes 55 HRC I Rockwell-Skala C I Härte nach Rockwell I Rockwell-Härtewert Vergleichbarkeit der Verfahren Mitunter besteht der Wunsch oder die Notwendigkeit, die mit einem bestummten Verfahren ermittelten Härtewerte in die eines anderen Verfahrens (Zielverfahren) zu überführen, d.h. umzuwerten. Dies ist gewöhnlich dann der Fall, wenn eine Härteprüfmaschine für das Zielverfahren nicht vorhanden ist, oder eine weiter Prüfung nicht möglich ist. Darüber hinaus ist man gelegentlich auch darauf angewiesen, aus einem Härtewert auf die Zugfestigkeit zu schließen, z.b. dann, wenn dem Bauteil keine Zugprobe entnommen werden kann. Die zwischen den Härteskalen nach Brinell, Vickers und Rockwell sowie zwischen Härte und Zugfestigkeit existierenden Umwertbeziehungen haben ausnahmslos empirischen Charakter. Obwohl die Aussagefähigkeit von durch Umwerten erhaltenen Kenngrößen im allgemeinen eingeschränkt ist, erfreuen sich die vornehmlich für Stahl und Stahlguß abgeleiteten Umwertbeziehungen großer Beliebtheit. erarbeitet von Marcel Prinz 11

6 Härteprüfung Folgende Beziehungen sind ausdrücklich als Faustformeln zu verstehen: HB HV : HB 0,95 HV HRB HB : HRB / HB HRC HV : HRC / HV HV HK : HV HK (im Kleinlastbereich) R m HB,HV : R m c HB (oder HV), R m in N mm -2 Der Faktor c für die Abschätzung der Zugfestigkeit R m wird meist vorgeschlagen zu: c 3,5 für Stahl c 5,5 für Cu und Cu-Legierungen geglüht c 4,0 für Cu und Cu-Legierungen kaltverformt c 3,7 für AL und Al-Legierungen Quellen Werkstoffprüfung Herausgegeben von Horst Blumenauer Werkstoffprüfung und Fehlerkontrolle in der Metallindustrie 12 erarbeitet von Marcel Prinz