Versuch: Härtemessung 1 Versuchsziel und Anwendung Durch die Härtemessung werden reproduzierbare und vergleichbare Kennzahlen des Verformungswiderstandes der Werkstückoberfläche ermittelt. Die Versuche sollen einen Einblick in die Durchführung und die Grenzen der einzelnen Prüfverfahren sowie die Möglichkeit einer Vergleichbarkeit untereinander aufzeigen. Besonders wichtig ist es, dabei zu erkennen, wann die einzelnen Härtemessverfahren unter den verschiedenen Bedingungen und in welchen Messbereichen zur Anwendung kommen. 2 Grundlagen Bild 1: Schematischer Aufbau eines Härteprüfgerätes Bild 2: Mikroprozessorgesteuertes Härteprüfgerät Das Attribut "hart" wird in der Technik zur Beschreibung recht unterschiedlicher Werkstoffeigenschaften benutzt. Es ist allgemein üblich, den gegen das Eindringen eines Fremdkörpers beim Ritzen, Furchen, Schneiden, Schlagen, Aufprallen oder Pressen in den oberflächennahen Werkstoffbereichen wirksamen Werkstoffwiderstand als "Härte" anzusprechen. Zu einer Prof. Dr.-Ing. Eva Hille Seite 1 von 9
Objektivierung des Begriffes Härte gelangt man daher nur durch Festlegung einer Messvereinbarung. Für die Werkstoffkunde ist es zweckmäßig, als Härte eines Werkstoffes den Widerstand gegen das Eindringen eines härteren Festkörpers unter der Einwirkung einer ruhenden Kraft zu definieren. Dementsprechend lässt man bei allen technischen Härtemessverfahren hinreichend harte Eindringkörper mit vorgegebener geometrischer Form während einer festgelegten Zeit mit einer bestimmten Kraft auf das Werkstück einwirken. Der Eindringkörper der im zu untersuchenden Werkstoff lokal eine hohe Flächenpressung hervorruft und eine mehrachsig elastisch-plastische Verformung erzwingt, darf sich dabei selbst nur elastisch verformen. Als Härtemaß wird entweder die auf die Oberfläche des entstandenen Eindruckes bezogene Prüfkraft und die daraus resultierende Eindruckfläche (Brinellhärte, Vickershärte) oder die vom Eindringkörper hinterlassene Eindrucktiefe (Rockwellhärte) angesehen. Zu den klassischen Härteprüfgeräten, bei denen die Härteeindrücke mit Hilfe optischer Systeme oder mit Feinmessuhren manuell zu vermessen sind (vgl. Bild 1), treten neuerdings vollautomatische mikroprozessorgesteuerte Prüfeinrichtungen. Als Beispiel zeigt Bild 2 ein modernes Prüfgerät für Rockwell-Härten. Belastung, Belastungsgeschwindigkeit und Einwirkungszeit werden über eine Tastatur vorgewählt. Die Aufbringung der Vor- und der Hauptlast sowie die Eindrucktiefenmessung erfolgen vollautomatisch. Ein linearer Differentialgeber mit einer Auflösung von 10-4 mm dient zur Eindrucktiefenbestimmung. Die ermittelten Härtewerte werden über ein vierstelliges Display angezeigt. Das Gerät, das ein Interface für Drucker- oder externen Rechner-Anschluss besitzt, ist für Serienmessungen und -auswertungen programmierbar und erlaubt Härtewertselektionen zwischen vorwählbaren Grenzen. 2.1 Härteprüfung nach Brinell (DIN EN ISO 6506-1) Bei der Härteprüfung nach Brinell wird eine gehärtete Stahlkugel (für härtere Werkstoffe - über 300 HB - ist eine Kugel aus Sinterhartstoff zu empfehlen) des Durchmessers D mit einer Kraft senkrecht zur Oberfläche des Messobjektes in die zu vermessende Werkstückoberfläche eingedrückt. (vgl. Bild 3 und Bild 4) Bild 3: Prinzip der Härtemessung nach Brinell Bild 4: Prüfkraft, Zeit Verlauf Die Belastung der Prüfkugel erfolgt stoßfrei und erreicht nach der Lastaufbringzeit ihren Sollwert. Die Lasteinwirkzeit soll bei Werkstoffen mit Ts < 600 C mindestens 10 s, bei Werkstoffen mit T s > 600 C mindestens 30 s betragen. Prof. Dr.-Ing. Eva Hille Seite 2 von 9
Durch den Kugeleindruck wird der Werkstoff plastisch verformt und in einem Bereich neben und unterhalb der entstehenden Kalotte kaltverfestigt. Damit sich vergleichbare und reproduzierbare Härtewerte ergeben, müssen verschiedene Messbedingungen eingehalten werden: a) Genormte Kugeldurchmesser D von 1; 2,5; 5 und 10 mm. b) Die Auflagefläche der Probe darf keine sichtbare Verformung zeigen, deshalb ist der Durchmesser der verwendeten Kugel von der Probendicke abhängig. Die Norm schreibt für die kleinste noch messbare Probendicke die Beziehung vor: s min = 17 x Eindringtiefe der Kugel (für Schiedsversuche) s min = 10 x Eindringtiefe der Kugel (für praktischen Gebrauch) c) Die entstehende Kalotte soll nicht zu flach sein (unscharfe Ränder); aber auch nicht zu tief (bei unterschiedlichem Eindringen kaum differenzierte Messwerte). Es soll sein: Eindruckdurchmesser d zwischen 0,2 * D und 0,7 * D d) Messwerte sind dann vergleichbar, wenn zwischen Prüfkraft und Kugeldurchmesserquadrat ein konstantes Verhältnis besteht. Dieses Verhältnis wird Belastungsgrad genannt und ist für 5 Werkstoffgruppen genormt: Durch die Festlegung des Belastungsgrades wird auch erreicht, dass bei allen Werkstoffen von hart bis weich der Eindruckdurchmesser d in den Grenzen liegt, die unter c) angegeben sind. Berechnung der Prüfkraft aus Belastungsgrad C und Kugeldurchmesser D: Prüfkraft Die am Prüfgerät einzustellende Prüfkraft wird in Abhängigkeit vom Werkstoff, vom Belastungsgrad, von der Probendicke und vom Kugeldurchmesser aus Tabellen und Diagrammen ermittelt. Prof. Dr.-Ing. Eva Hille Seite 3 von 9
Messwert An der Probe wird der Durchmesser der entstandenen Kalotte ausgemessen. Hierzu ist eine Genauigkeit von ± 0,5 % erforderlich, damit der Härtewert nicht mehr als ± 1 % toleriert. Bei unrunden Eindrücken wird der Mittelwert aus zwei senkrecht aufeinander stehenden Durchmessern genommen. Härtewert Brinellhärte 0.102 F HB = A HB F D, d 1 N mm 0.204 F = π D 2 2 ( D D d ) In der Praxis wird die Brinellhärte aus Tafeln abgelesen. Härteangaben aus verschiedenen Messungen sind nur dann vergleichbar, wenn sie mit gleichen Prüfbedingungen ermittelt wurden. Eine Härteangabe nach Norm muss deshalb die Prüfbedingungen enthalten. Prof. Dr.-Ing. Eva Hille Seite 4 von 9
2.2 Härteprüfung nach Vickers (DIN EN ISO 6507-1) Bei der Härteprüfung nach Vickers wird als Eindringkörper eine regelmäßige vierseitige Diamantpyramide mit einem Öffnungswinkel von 136 benutzt, die mit einer Kraft F in das zu prüfende Werkstück eingedrückt wird. Bei blanken und ebenen Werkstoffoberflächen hat ein Härteeindruck im Idealfall die in Bild 5 skizzierte quadratische Begrenzung. Bild 5: Prinzip der Härtemessung nach Vickers Bild 5.1: Verwendete Prüfmaschine im Praktikum Prof. Dr.-Ing. Eva Hille Seite 5 von 9
Härtewert Prüfkraft Die Pyramide erzeugt ähnliche Eindrücke. Deshalb ist im Bereich von 98 980 N die Prüfkraft ohne Einfluss auf den Härtewert. Bevorzugte Prüfkräfte sind nach Norm 49/98/196/294/490 bzw. 980 N. Die Kraft soll in etwa 5 s stoßfrei auf den Höchstwert ansteigen und 10... 15 s einwirken. Für Proben deren Prüffläche sehr klein oder dünn ist (harte Randschichten), oder wenn die Oberfläche nur wenig beschädigt werden darf, sind kleinere Kräfte genormt. (DIN EN ISO 6507-1) Messwert An der Probe wird die Diagonale d (evtl. als Mittelwert aus beiden Diagonalen) des Eindrucks gemessen. Die Genauigkeit der Ablesung soll ±1 % betragen. Die Kurzangabe eines Härtewertes erfolgt nach Norm. 2.3 Härteprüfung nach Rockwell (DIN EN ISO 6508-1) Bei der Härteprüfung nach Rockwell (vgl. Bild 6) werden zwei verschiedene Eindringkörper verwendet. Je nachdem, ob ein abgerundeter Diamantkegel oder eine gehärtete Stahlkugel für die Messungen benutzt wird, spricht man von einer HRC (hardness rockwell cone) - oder einer HRB (hardness rockwell ball) - Messung. In beiden Fällen dient als Messzahl für die Härte der Unterschied in der Eindringtiefe, den der Eindringkörper bei einer bestimmten Vorlast vor und nach der Einwirkung einer bestimmten Messlast zeigt. Prof. Dr.-Ing. Eva Hille Seite 6 von 9
Bild 6: Eindringkörper und Prinzip der Härteprüfung nach Rockwell Prüfkräfte Die Prüfgesamtkraft ist konstant und wird in zwei Stufen aufgebracht. Prüfvorkraft F 0 = 98 N (10 kp) Prüfkraft F 1 = 1373 N (140 kp) Prüfgesamtkraft F = 1471 N (150 kp) Messverfahren a) Die Probe muss sicher auf der sauberen Auflagefläche aufliegen und die Prüffläche senkrecht zur Kraftrichtung ausgerichtet sein. b) Der Eindringkörper wird mit der Prüfvorkraft F 0 auf die Probe gesetzt und die Messuhr auf Null gestellt. c) Zuschalten der Prüfkraft F 1. Der Diamant dringt in die Probe ein. Wenn der Zeiger zum Stillstand kommt, zeigt die Messuhr eine Eindringtiefe an, die sich aus drei Teilen zusammensetzt: - plastische Verformung der Probe - elastische Verformung der Probe - elastische Verformung des Gerätes (Federung des Gestells) d) Wegnahme der Prüfkraft F 1. Der Eindringkörper bleibt unter Wirkung der Prüfvorkraft F 0 im Eindruck. Die elastischen Verformungen gehen zurück, die Messuhr zeigt jetzt die bleibende Eindringtiefe t b an. Den Längenmaßen für die Eindringtiefe sind auf der Skala die Rockwellhärtewerte zugeordnet, sie können direkt abgelesen werden. Härtewert Rockwellhärte HRC = 100-500 t HRC t 1 mm Prof. Dr.-Ing. Eva Hille Seite 7 von 9
2.4 Dynamische Härteprüfung nach Shore Das Verfahren besitzt ein anderes Messprinzip als die behandelten statischen Verfahren. In einem Rohr fällt ein Körper mit einer Masse von 20 g senkrecht auf die Probe und wird zurückgefedert. Bei harten Werkstoffen wird nur ein kleiner Teil der Fallenergie in Formänderungsarbeit umgewandelt, d.h., es entsteht nur ein winziger Eindruck. Der größere Teil der Energie wird als elastische Verformung der Probe gespeichert und beim Rückfedern dem Messgerät zurückgegeben, so dass es zurückprallt. Die Rücksprunghöhe ist ein Maß für die Härte der Probe. Die Geräte werden Skleroskop oder Slerograph genannt. Die Geräte sind klein, leicht und handlich, sie können überall an die Proben herangebracht werden. Die Proben müssen genügende Masse haben (mindestens 5 kg), fest aufliegen oder eingespannt sein. Das Härteverfahren ist zweckmäßig zur Kontrolle schwerer Teile, wie Walzen, Schmiede- und Gussteile und zur Kontrolle der gleichmäßigen Härte großer Flächen. 3 Versuchsaufbau Verwendete Maschinen und Geräte sowie Hilfsmittel: - Härtemessgerät KPE 3000 zur Messung der Brinellhärte - Härtemessgerät HPO 250 zur Messung der Brinell- und Vickershärte - Hardness Tester Ernst zur Messung der Rockwellhärte HRB und HRC - Rücksprunghärtemessgerät Sklerograph - Rückprallhärtemessgerät - Duroskop - Schlaghärteprüfer - Poldihammer - Messlupe und Messmikroskop 4 Versuchsdurchführung Wählen Sie, dem Werkstoff und der voraussichtlichen Härte entsprechend das Härteprüfverfahren. Zu beachten ist: 4.1 Das Prüfstück muss auf dem Auflagetisch satt aufliegen und darf nicht verrutschen 4.2 Die werkstoffabhängige Belastungszeit 4.3 Prüfkörper und Prüfkraft müssen dem Werkstoff, der Oberflächenbeschaffenheit und der Dicke entsprechen 4.4 Der Abstand der Eindrücke vom Rand und untereinander 4.5 Die erforderliche Genauigkeit des Ausmessens, sie richtet sich nach dem Prüfverfahren Prof. Dr.-Ing. Eva Hille Seite 8 von 9
5 Versuchsauswertung 5.1 Begründen Sie das gewählte Härtemessverfahren! 5.2 Geben Sie die Messstellen in der Skizze an! 5.3 Tragen Sie im Auswertungsblatt die gemessenen Werte ein und ermitteln Sie die Härte nach Rechnung und Tabelle! 5.4 Aus den Härtewerten sind weitere Werkstoffkennwerte sowie die DIN EN- Werkstoffbezeichnungen zu bestimmen! 6 Literatur Weißbach: Friedrich: Seidel: Macherauch: Blumenauer: Werkstoffkunde und Werkstoffprüfung Vieweg-Verlag Tabellenbuch Metall- und Maschinentechnik Dümmler-Verlag Werkstofftechnik Hanser-Verlag Praktikum in Werkstoffkunde Vieweg-Verlag Werkstoffprüfung Verlag für Grundstoffindustrie GmbH DIN EN ISO 6506-1; 2006-03: Metallische Werkstoffe Härteprüfung nach Brinell Teil 1: Prüfverfahren DIN EN ISO 6507-1; 2006-03: Metallische Werkstoffe Härteprüfung nach Vickers Teil 1: Prüfverfahren DIN EN ISO 6508-1; 2006-03: Metallische Werkstoffe Härteprüfung nach Rockwell Teil 1: Prüfverfahren Prof. Dr.-Ing. Eva Hille Seite 9 von 9