Härteprüfung. Definition: Die Härte einer Werkstoffoberfläche ist das Maß für den Widerstand der einem eindringenden Körper entgegengesetzt wird.

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1 1) Allgemeine Grundlagen: Definition: Die Härte einer Werkstoffoberfläche ist das Maß für den Widerstand der einem eindringenden Körper entgegengesetzt wird. Die Härte ist keine physikalische Größe, sondern eine Kennzahl. Sie ist abhängig vom Bau des Gitters, von der Wärmebehandlung, der Kaltverformung und der Art der Bindungskräfte. So ist es möglich durch en Rückschlüsse auf den Festigkeitszustand zu ziehen. Da das Eindringverhalten von der Gestalt und der Eigenhärte des anderen Körpers sowie von der Art und Größe der Belastung abhängig ist, muss bei der zahlenmäßigen Angabe von Härtewerten immer das Härteprüfverfahren genannt werden. Die Härte kann nach folgenden grundsätzlichen Möglichkeiten ermittelt werden: Ritzen der Oberfläche Eindringen eines Prüfkörpers unter statischer Belastung Eindringen eines Prüfkörpers unter dynamischer Belastung Technische Bedeutung im Maschinenbau haben nur die Verfahren mit statischer Belastung. Die liefert schnelle und bedingt zerstörungsfreie Werte für die statische Festigkeit und für das Verschleißverhalten der Werkstoffe. 2) Anwendungen: Zu den wichtigsten Aufgaben der Werkstoffprüfungen zählen, die Sicherung der Qualität, die Untersuchung von Schäden und die Ermittlung von Werkstoffeigenschaften. In der industriellen Fertigung werden en häufig zur Kontrolle der Gleichmäßigkeit von Wärmebehandlungen eingesetzt. 3) Messprinzip: Bei den statischen Verfahren wird die Prüfkraft stoß frei aufgebracht und wirkt auf die Probe eine vorbestimmte Zeit ruhend ein. Nach dem Entlasten wird der Härtewert ermittelt, dies beruht auf zwei Verfahren: 1) Die Fläche des Prüfkörpers wird gemessen und daraus die Härte berechnet 2) Die Eindringtiefe wird gemessen und in die entsprechende Härte umgerechnet. Wichtig: Die Härtewerte werden als Zahlenwerte ohne Einheit angegeben. Unbedingt muss bei den Härtewerten das Prüfverfahren angeben werden. Seite 1

2 Die en werden an glatten und ebenen Oberflächen, die frei von Zunder, Fremdkörpern und Schmierstoffen sein müssen, vorgenommen. Die Oberflächenvorbereitung muss gewährleisten, dass Veränderungen an der Oberfläche, z.b. durch Erwärmen oder Kaltverformung auf ein Minimum beschränkt bleiben. Fehler bei der Härtemessung: Stoffbedingte Fehler: Die Ursache liegt im Prüfobjekt während des Eindringvorgangs. Werden durch eine unregelmäßige Struktur, Oberflächenbeschaffenheit, sowie das Fließ- und Verfestigungsverhaltens während des Eindringens hervorgerufen. Der Prüfer hat keinen Einfluss. Gerätebedingte Fehler: ungenaue Prüfkraft Aufbringung, Mängel an der Auswerteeinrichtung oder Formabweichung des Eindringkörpers. Regelmäßige Überprüfung/ Kalibrieren verhindert den Fehler Versuchsbedingter Fehler: nicht Beachtung der Vorschrift, falsche Wahl des Prüfverfahrens oder dessen Durchführung. Ausschließlich hat der Prüfer Einfluss. Schulungen verringern den Fehler Ablese,-Beobachtungs-, und Auswertefehler: Messschieber falsch abgelesen oder nicht richtig angelegt, Parallaxefehler beim ablesen Nachlässigkeit des Prüfers. Menschliches Sehvermögen 4) Versuchsdurchführung: Die Probe muss auf einer starren Aufnahmevorrichtung liegen. Die Flächen müssen sauber und frei von Fremdkörpern sein. Es ist wichtig, dass die Probe fest auf der Aufnahmevorrichtung liegt, damit sie sich während des Prüfvorganges nicht verschieben kann. Der Eindringkörper ist auf die Prüffläche aufzusetzen und die Prüfkraft stoß- und erschütterungsfrei senkrecht zur Oberfläche aufzubringen, bis die aufgebrachte Kraft den vorgegebenen Wert erreicht hat. 5) Aufgabenstellung: Führen Sie drei verschiedene Härteprüfverfahren (Brinell, Vickers und Rockwell - C) an 5 Stahlproben (S235) mit unterschiedlichen Wärmebehandlungen durch. Seite 2

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4 Formel und Benennung: Formelzeichen: Einheit: Durchmesser der Kugel D mm Prüfkraft F N Mittlerer Durchmesser des Eindrucks = 2 Durchmesser des Eindrucks, gemessen um 90 d 1, d 2 mm Eindruckfläche A mm 2 = h Eindrucktiefe h mm h = ( ) 2 Brinell-Härte ü =!"ä!h Konstante: Umrechnungsfaktor von N in kp 0,102 Beanspruchungsgrad =0,102 ' Tabelle 1: Formeln und Bezeichnungen d HBW - mm ( )) Die Brinell-Härte wird durch das Kurzzeichen HBW angegeben. Früher wurde das Kreuzzeichen HB oder HBS verwendet. Vor dem Symbol HBW wird der Härtewert angegeben. Hinter diesem Wert werden die Prüfbedingungen in folgender Reihenfolge vermerkt: 1) Kugeldurchmesser in mm 2) Eine Zahl, die die Prüfkraft angibt (Tab. 2) 3) Einwirkdauer der Prüfkraft in s. Die Einwirkdauer wird nur dann angegeben, wenn sie von der vorgebebenen Zeit abweicht. z.b.: 600 HBW 1/30/20 Brinell-Härte 600 / Kugelduchmesser 1mm / Prüfkraft 294,2 N / Einwirkzeit 20s Seite 4

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6 Aufgabe: Zeigen Sie vor Beginn des Versuches die Formel zur Berechnung der Brinell-Härte. Es werden 5 Stahlproben mit unterschiedlicher Wärmebehandlung gemessen. Die Proben wurden zwischen C wärmebehandelt. Überlegen Sie, welche Auswirkungen die verschiedenen Temperaruten auf die Härte haben könnten. Seite 6

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9 Auszug aus DIN EN ISO 6507 Der Abstand des Mittelpunktes jedes Prüfeindruckes vom Rand der Probe muss für Werkstoffe wie Stahl, Kupfer und Kupferlegierungen mindestens das Zweieinhalbfache der mittleren Diagonallänge und für Werkstoffe wie Leichtmetalle, Blei, Zinn und deren Legierungen mindestens das Dreifache der mittleren Diagonallänge betragen. Der Abstand der Mittelpunkte zweier nebeneinanderliegender Prüfeindrücke muss für Werkstoffe wie Stahl, Kupfer und Kupferlegierungen mindestens das Dreifache der mittleren Diagonallänge und für Werkstoffe wie Leichtmetalle, Blei, Zinn und deren Legierungen mindestens das Sechsfache der mittleren Diagonallänge betragen. Wenn zwei nebeneinanderliegende Prüfeindrücke sich in ihrer Größe unterscheiden, dann muss der Mindestabstand auf der Grundlage der mittleren Diagonallänge des größeren Prüfeindruckes bestimmt werden. Aufgabe: Zeigen Sie vor Beginn des Versuches die Formel zur Berechnung der Vickers-Härte. Es werden 5 Stahlproben mit unterschiedlicher Wärmebehandlung gemessen. Die Proben wurden zwischen C wärmebehandelt. Überlegen Sie, welche Auswirkungen die verschiedenen Temperaruten auf die Härte haben könnten. Seite 9

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11 Die Rockwell-Härte wird durch das Kurzzeichen HR angegeben. Bei diesem Kurzzeichen wird das Prüfverfahren direkt dahinter angegeben, je nach Härteskala. Bei Verwendung der Härteskala C wird als Kurzzeichen HRC geschrieben. Der ermittelte Härtewert wird vor dem Kurzzeichen angegeben. z.b.: 62 HRC Rockwell C Härte 62 Härteskala Kurzzeichen für die Härte Eindring-körper Prüfvorkraft F 0 [N] Prüfzusatzkraft F 1 [N] Prüfgesamtkraft F [N] Anwendungsbereich A HRA Diamantkegel 98,07 490,3 558, HRA C HRC Diamantkegel 98, HRC D HRD Diamantkegel 98,07 882,6 980, HRD Tabelle 6: Härteskala Versuchsdurchführung: Für diesen Versuch wird an der Härtemaschine eine Prüflast von 150 kg eingestellt. Die Einwirkdauer beträgt 2-6 s. Der Härtewert kann direkt an der äußeren Skala abgelesen werden. Auszug aus DIN EN ISO 6508 Der Abstand der Mittelpunkte zweier nebeneinanderliegender Prüfeindrücke muss mindestens das Vierfache des Eindruckdurchmessers betragen (aber nicht weniger als 2 mm). Der Abstand des Mittelpunktes jedes Prüfeindrucks vom Rand der Probe muss mindestens das Zweieinhalbfache des Eindruckdurchmessers betragen (aber nicht weniger als 1 mm). Seite 11

12 Aufgabe: Es werden 5 Stahlproben mit unterschiedlicher Wärmebehandlung gemessen. Die Proben wurden zwischen C wärmebehandelt. Überlegen Sie, welche Auswirkungen die verschiedenen Temperaruten auf die Härte haben könnten. Verfahren Brinell Vickers Rockwell C Eindringkörper Stahlkugel Diamantpyramide quadratisch, 136 Kurzzeichen HBW HV HRC Anwendungsbereich Alle Werkstoffe bis 600 HBW Alle Werkstoffe Diamantkegel 120 Harte Werkstoffe Anwendungsgrenzen bis 600 HBW beliebig HRC Krafteinwirkdauer s s 2-6 s Auswertung Eindruckfläche Eindruckfläche Eindruckteife messen messen und Härte messen und Härte und Härtewert direkt berechnen berechnen ablesen Tabelle 7: Gegenüberstellung der Verfahren Versuchsablauf: 1) Rockwell-C Zu jeder Probe werden jeweils zwei Messwerte aufgenommen. Liegen die beiden Werte innerhalb der normierten Toleranz von ± 1,5 HRC, kann die nächste Probe vorgenommen werden. Liegen die Werte außerhalb des Bereiches muss die Probe nochmals gemessen werden. 2) Brinell Pro Probe werden jeweils 2 Prüfungen durchgeführt. Aus den ermittelten Durchmesser, wird der Mittelwert und die Härte berechnet. 3) Vickers Pro Probe werden jeweils 2 Prüfungen durchgeführt. Aus den ermittelten Durchmesser, wird der Mittelwert und die Härte berechnet. Seite 12

13 Aufgaben für WP-3 WS 13/14 Aufgabenstellung 1) Stellen Sie Ihre Ergebnisse (Messwerte und berechnete Härtewerte) der einzelnen Härteprüfverfahren (BRINELL,VICKERS, ROCKWELL-C) tabellarisch dar. Die handschriftlich aufgenommenen Werte, sowie die Theoriefragen, sind dem Messbericht beizufügen. 2) Erstellen Sie auf einem separaten Blatt (DIN A4) ein Diagramm für Aufgabenstellung 1 (HB über HRC). Welcher Verlauf ist erkennbar? Erstellen Sie auf einem separaten Blatt (DIN A4) ein Diagramm für Aufgabenstellung 1 (HV über HRC). Welcher Verlauf ist erkennbar? Erstellen Sie auf einem separaten Blatt (DIN A4) ein Diagramm für Aufgabenstellung 1 (HB über HV). Welcher Verlauf ist erkennbar? 3) Was bedeutet der Faktor 0,102 bei BRINELL und VICKERS? 4) Beschreiben Sie den Messvorgang bei ROCKWELL-C! Welchen Zweck hat die Prüfvorkraft bei ROCKWELL-C? 5) Bei welcher absoluten Eindringtiefe ist die Härte HRC = 0 vorhanden? Welchen Härtehöchstwert gibt es bei der Härteskala HRC? 6) Wie groß müssen die Eindruckabstände bei ROCKWELL-C und bei VICKERS sein, wenn eine normgerechte Prüfung durchgeführt werden soll? Was kann passieren, wenn der Prüfabdruck zu nah am Rand bzw. zu nah an einem anderen Prüfabdruck ist? 7) Was bedeuten die Eindring- und die Einwirkdauer bei den Härteprüfverfahren? 8) Worin liegen die wesentlichen Unterschiede zwischen den Verfahren nach VICKERS bzw. BRINELL und ROCKWELL? 9) Nennen Sie Vor- und Nachteile von BRINELL.