In der Materialwissenschaft spielt die Härteprüfung eine wichtige Rolle bei der Qualitätsanalyse und -kontrolle, insbesondere im Hinblick auf Belastung und Verschleiß. Sie ist eine wesentliche Methode zur Bewertung Materialhärte und wird branchenübergreifend eingesetzt, von der Automobilindustrie und dem Bauwesen bis hin zur Biomedizintechnik und Forschung. Dieser Artikel untersucht die wichtigsten Prinzipien, Prüfmethoden, Geräte und Verfahren der Härteprüfung.“
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Was ist eine Härteprüfung?
Die Härteprüfung ist ein Verfahren, das die Widerstandsfähigkeit eines Materials gegen Verformungen prüft, insbesondere wenn es dauerhaft von einem härteren Material in die Oberfläche eingedrückt wird. Gemessen wird die Tiefe oder Größe des Abdrucks, den ein harter Eindringling unter einer Standardlast hinterlässt. Vereinfacht ausgedrückt ist es eine Methode, mit der sich der Härtegrad eines Materials bestimmen lässt.
Die Ursprünge der Härteprüfung reichen bis ins Jahr 1812 zurück, als Friedrich Mohs eine zehnstufige Kratzskala einführte, die Mineralien von Talk (1) bis Diamant (10) einstufte. Es folgten moderne instrumentelle Methoden: Brinell (Kugeleindruck 1900), Shore-Skleroskopie (Rückprall 1907), Rockwell (Tiefe 1919), Vickers (Diamantpyramide 1921) und Knoop (Mikroeindruck 1939).
Härteprüfverfahren
Es gibt verschiedene Arten von Härteprüfverfahren, die entweder als dynamische oder statische Prüfverfahren kategorisiert werden. Sehen wir uns einige häufig verwendete Verfahren an:
Rockwell-Härteprüfung (HR)
Rockwell-Härteprüfung Die Härte eines Materials wird gemessen, indem ein Diamantkegel unter einer bestimmten Belastung in die Oberfläche gedrückt und anschließend die Tiefe des entstehenden Eindrucks gemessen wird. Diese Methode ist schnell, unkompliziert und spannungsfrei. Sie wird vor allem bei der Prüfung von Stahl und Legierungen zur Qualitätskontrolle eingesetzt.
Brinellhärteprüfung (HB)
Im Gegensatz zur Rockwell-Methode ist die Brinell-Härteprüfung Dabei wird mit einer Stahl- oder Hartmetallkugel eine Vertiefung in die Materialoberfläche eingebracht, die anschließend zur Bestimmung der Härte gemessen wird. Auch hier wird eine Last aufgebracht, der Durchmesser der Markierung wird jedoch gemessen, um die Härte des Materials zu bestimmen. Das Besondere an dieser Methode ist ihre hohe Wirksamkeit bei der Prüfung von Materialien mit unebenen und rauen Oberflächen. Sie wird hauptsächlich bei der Prüfung von Guss- und Schmiedeteilen eingesetzt.
Vickers-Härteprüfung (HV)
Im Gegensatz zu den zuvor erwähnten Methoden, die die Tiefe und den Durchmesser der Eindrücke messen, Härteprüfung nach Vickers Die Methode ist anders. Sie misst die Länge der Diagonalen der Markierung, die durch das Durchstechen der Probe mit einer 136°-Diamantpyramide entsteht. Eines ist jedoch ähnlich: Auch hier wird eine feste Last angewendet. Die Vickers-Methode ist einzigartig, da sie zur Prüfung einer Vielzahl von Materialien wie Keramik, Metallen und Verbundwerkstoffen eingesetzt werden kann.
Mohshärteprüfung
Wie bereits erwähnt, Härtetest nach Mohs Die Härte eines Materials wird anhand seiner Fähigkeit gemessen, ein anderes Material zu zerkratzen. Es handelt sich um ein einfaches Verfahren, das qualitative Methoden anwendet und sich für die Prüfung von Mineralien und Proben für geologische Prozesse eignet.
Knoop-Härtetest
Knoop-Härtetest ist bekannt für seine Einzigartigkeit bei der Prüfung kleiner und kleinster Materialien wie dünner Beschichtungen und Filme. Die aufgebrachten Lasten sind gering, und der Eindringkörper, der die Prüfprobe durchsticht, ist schlank und lang und besitzt eine feine Spitze. Die Messung erfolgt ausschließlich durch Konzentration auf die Länge der langen Diagonalen.
Härteprüfgerät
Jedes spezifische Härteprüfverfahren hat seinen eigenen, einzigartigen Aufbau. Die meisten der allgemein verwendeten Verfahren bestehen jedoch im Allgemeinen aus diesen vier wichtigen Geräten:
- Ein Eindringkörper, der zum Durchdringen des Testmaterials verwendet wird, um die Markierung oder Vertiefung zu hinterlassen (Stahl-, Diamant- oder Hartmetallkugel).
- Ein System, das die erforderliche Last oder Kraft aufbringt.
- Ein Mittel zum Beobachten und Messen der Markierung oder Vertiefung kann eine Waage oder ein Mikroskop sein, in manchen Fällen ist es automatisiert.
- Natürlich muss jede Maschine für einen optimalen Betrieb von Zeit zu Zeit kalibriert werden, das Gleiche gilt für die Härteprüfgeräte.
Härteprüfverfahren
Obwohl die Vorgehensweise je nach Methode leicht variiert, umfassen die allgemeinen Schritte:
Sample Prep
Die Testoberfläche muss glatt, sauber und frei von Zunder oder Beschichtungen sein, es sei denn, das Testen beschichteter Oberflächen ist das Ziel.
Aufbringen einer Last
Der Eindringkörper wird unter einer festgelegten Last für eine bestimmte Dauer in die Oberfläche gedrückt.
Eindrücke messen
Entweder wird die Tiefe oder der Durchmesser/die Diagonale der Vertiefung mit optischen oder elektronischen Werkzeugen gemessen.
Berechnung der Härte
Die Maschine oder der Bediener berechnet einen Härtewert basierend auf Standardformeln.
Anwendungen der Härteprüfung
- Der Prozess des Prüfens und Vergleichens der Härtegrade von Materialien, um die richtige Auswahl auf Grundlage ihrer Anwendungsanforderungen zu treffen.
- Überprüfung von Wärmebehandlungsprozessen durch Bestätigung ihrer Wirksamkeit, beispielsweise Prozesse wie Anlassen oder Abschrecken
- Sicherstellung und Kontrolle der Produktionsqualität in Fertigungsprozessen durch Kontrolle auf Fehler oder Mängel.
- Überprüfung der Oberflächenbehandlung durch Beurteilung der Härte von Beschichtungen, Galvanisierungen oder Nitrierungen.
Vorteile und Einschränkungen der einzelnen Methoden
| Methodik | Vorteile | Einschränkungen |
|---|---|---|
| Rockwell | Schnell und einfach zu bedienen | Eingeschränkt für sehr dünne Materialien |
| Brinell | Ideal für raue Oberflächen | Weniger präzise, große Einrückung |
| Vickers | Präzise, universell | Zeitaufwendig |
| Mohs | Einfach, feldfreundlich | Subjektiv, qualitativ |
| Knopf | Hohe Auflösung für dünne Schichten | Erfordert Geschick und saubere Oberflächen |
FAQ
Warum wird für pulvermetallurgische Teile der Vickers-Härtetest bevorzugt?
Teile aus der Pulvermetallurgie behalten eine gewisse Restporosität, und ein Eindringkörper mit großem Radius kann eine Pore treffen und einen irreführend niedrigen Messwert liefern. Die Vickers-Methode verwendet eine Diamantpyramide, die einen sehr kleinen Eindruck hinterlässt, sodass die Messung vollständig innerhalb einer vollständig dichten Zone erfolgen kann. Die niedrige Prüflast erfasst daher die intrinsische Härte der metallischen Matrix und nicht die „scheinbare“ Härte der porösen Struktur. Für Sintermetalle sind HV5, HV10 und HV20 die empfohlenen Standardlastbereiche.
Können Härteprüfungen das Material beschädigen?
Das hängt von der Härteprüfmethode ab. Denn Härteprüfmethoden werden in zerstörende Härteprüfungen (z. B. Rockwell, Brinell, Vickers) und zerstörungsfreie Härteprüfungen (z. B. tragbare Leeb-Härteprüfer) unterteilt. Die zerstörende Härteprüfung hinterlässt nach dem Eindringvorgang bleibende Schäden am Prüfmaterial, während die zerstörungsfreie Härteprüfung eine leichte Verformung hinterlässt, die weder das Material noch seine Eigenschaften beeinträchtigt.
Gibt es einen Härteprüfstandard?
Ja, die Härteprüfungen richten sich nach verschiedenen Normen wie ASTM und ISO. Beispielsweise richten sich ASTM E10 und ISO 6506 beide nach der Brinell-Härteprüfung, während ASTM E18 und ISO 6508 für die Rockwell-Härteprüfung gelten.
Welche Fehlerquellen sind bei der Durchführung von Härteprüfungen zu beachten?
Fehler bei Härteprüfungen können verschiedene Ursachen haben, vom Bediener über das Prüfmaterial und die Ausrüstung bis hin zum Prüfvorgang selbst, um nur einige zu nennen.
- Wenn die Oberfläche der Testprobe nicht richtig für den Test vorbereitet ist.
- Inkonsistente Lastanwendung.
- Kalibrierungsdrift aufgrund eines Gerätefehlers.
- Verwendung eines Eindringkörpers, der beschädigt, abgenutzt oder nicht richtig ausgerichtet ist.
- Menschlicher Fehler beim Ablesen der Ergebnisse.
Was ist der Unterschied zwischen dynamischen und statischen Härteprüfverfahren?
Dynamische Härteprüfverfahren durchlaufen einen Prozess, bei dem die Last plötzlich mit einem schnellen Lastanstieg aufgebracht wird. Die Rückprallgeschwindigkeit wird gemessen (umgerechnet in eine Härtezahl), beispielsweise bei Leeb- und Shore-Skleroskopie-Härteprüfungen. Statische Härteprüfverfahren hingegen verwenden eine konstante oder schrittweise erhöhte Last. Sie messen stattdessen die Eindringtiefe, wie beispielsweise bei Brinell-, Vickers- und Knoop-Prüfungen.