Härteprüfung ist eine Methode zur Überprüfung der Verformungsbeständigkeit eines Materials. Bei der Härteprüfung nach Knoop wird ein Eindringkörper verwendet, der etwa halb so tief eindringt wie bei der Härteprüfung nach Vickers. Daher eignet sich diese Methode für spröde Materialien wie Keramik, dünne Platten und Beschichtungen.
Inhalte
Was ist der Knoop-Härtetest?
Der Knoop-Härtetest, auch Mikrohärtetest genannt, ist eine Mikroeindringtechnik zur Messung der Härte von MaterialienBei diesem Verfahren wird ein kleiner, länglicher Diamant-Eindringkörper mit leichter Kraft in die Oberfläche einer Probe gedrückt. Die Technik wurde 1939 von Frederick Knoop und seinem Team am National Bureau of Standards entwickelt, daher der Name. Sie wird anstelle anderer Methoden eingesetzt, da sie sehr kleine Materialien ohne ernsthafte Schäden verarbeiten kann.
Das Arbeitsprinzip
Das Prinzip der Knoop-Härteprüfung ist einfach und präzise. Der Eindringkörper wird mit kontrollierter Kraft in das Material gedrückt. Dadurch entsteht ein Eindruck, dessen Messung die Härte des Materials berechnet.
Was ist der Knoop-Eindringkörper?
Der Knoop-Eindringkörper hat die Form eines pyramidenförmigen Diamanten mit den folgenden Merkmalen:
- Die langen und kurzen Diagonalen haben ein Längenunterschiedsverhältnis von 7 zu 1.
- Zwischen den kurzen Seiten besteht ein Winkel von 130° und zwischen den langen Seiten von 172.5°.
Diese längliche Form macht es ideal für die Messung kleiner Merkmale und dünner Beschichtungen, da sie die Eindringtiefe verringert und gleichzeitig die Länge des Eindrucks optimal ausnutzt.
Zusammenhang zwischen Eindruck und Härte
Nach Abschluss des Tests wird die Länge der Längsdiagonale des Eindrucks unter einem Mikroskop gemessen. Die Knoop-Härtezahl (KHN) wird anschließend anhand einer Formel berechnet, wobei die Härte umgekehrt proportional zur Fläche des Eindrucks ist. Im Folgenden sehen Sie ein Beispiel.
Knoop-Härteprüfverfahren
Dieses Verfahren beginnt mit der Vorbereitung Ihrer Probe, der Auswahl der richtigen Werkzeuge und führt anschließend zum Eindrücken, Messen und Berechnen durch.
Bereiten Sie Ihre Probe vor
Reinigen Sie Ihre Probe gründlich, stellen Sie sicher, dass sie glatt ist, und platzieren Sie sie so, dass sie während des Tests nicht wackelt, um Messfehler zu vermeiden.
Wählen Sie die benötigte Ausrüstung aus
Für dieses Verfahren benötigen Sie folgende Ausrüstung: eine Mikrohärteprüfmaschine, einen skalierten Knoop-Eindringkörper, ein Mikroskop und ein System, mit dem Sie die aufgebrachte Last kontrollieren können, um ungenaue Ergebnisse zu vermeiden.
Starten Sie den Einrückungsprozess
Die während der Eindringung ausgeübte Last beträgt normalerweise zwischen 10 und 1,000 Grammkraft (gf), abhängig vom Material und der Probendicke.
Belasten Sie die Probe anschließend mit Ihrem Knoop-Eindringkörper etwa 10 bis 15 Sekunden lang mit der von Ihnen gewählten Last. Lassen Sie nach Ablauf der Eindringzeit die Last los und überprüfen Sie den Eindruck mit Ihrem Präzisionsmikroskop.
Nehmen Sie Messungen vor und berechnen Sie die Härte
Betrachten Sie die Vertiefung unter dem Mikroskop, messen Sie die lange Diagonale und notieren Sie den korrekten Wert in Millimetern. Setzen Sie diese Werte in die Knoop-Formel ein und berechnen Sie die Härte des Materials.
Anwendungen des Knoop-Härtetests
Der Knoop-Test wird hauptsächlich verwendet, um Folgendes zu messen:
Dünne Beschichtungen: Es wird zum Testen dünner Oberflächen wie Oxidschichten und Metallbeschichtungen verwendet, wie Verzinkung, Verchromung.
Spröde Materialien: Geeignet für Keramik, Glas, Karbide und harte Mineralien, bei denen herkömmliche Eindringkörper Risse verursachen können.
Mikroteile – Der Knoop-Härtetest ist für seine Spezialisierung auf die Bearbeitung sehr kleiner Materialien bekannt. Daher eignet er sich beispielsweise für die Biomedizintechnik, die Halbleiterherstellung und die Entwicklung hochpräziser Instrumente.
Vorteile und Einschränkungen
Vorteile
- Im Vergleich zu anderen Methoden verursacht es nur minimale Schäden an der getesteten Probe.
- Es eignet sich ideal zum Messen dünnschichtiger Filme und Beschichtungen auf Substraten, ohne dass das Substrat unbedingt durchstochen werden muss.
- Messungen können problemlos wiederholt durchgeführt werden, solange alle Verfahren entsprechend befolgt werden.
Einschränkungen
- Der Vorgang hängt von der Beschaffenheit der Oberfläche ab. Das bedeutet, dass die Probenoberfläche glatt und poliert sein muss, um genaue Messwerte zu erhalten.
- Im Gegensatz zu Makrohärteprüfungen ist die Durchführung dieser Methode zeitaufwändiger.
- Der Eindruck wird nur anhand der Länge der langen Diagonale gemessen. Dies kann beim Testen anisotroper Materialien wie Holz zu einem korrekten Messwert führen.
- Obwohl diese Methode ideal für empfindliche Materialien ist, kann sie nicht zum Testen weicher Proben wie Gummi verwendet werden.
Unterschied zwischen Knoop- und Vickers-Härteprüfungen
Nachfolgend finden Sie einen detaillierten Vergleich von Knoop und Vickers-Härteprüfungen.
| Merkmal | Knopf | Vickers |
|---|---|---|
| Form des Eindringkörpers | Eine rautenförmige Pyramide, die länglich ist | Eine gut proportionierte Rautenform |
| Eindringtiefe | Eine geringe Penetration (etwa die Hälfte der Vickers) | Eine tiefere Penetration |
| Materialien, die am besten verwendet werden auf | Kleine Teile, dünne Schichten und spröde Materialien | Sperrige Materialien mit durchgehend einheitlicher Form und Größe |
| Durchgeführte Messungen | Verwendet nur die lange Diagonale | Verwendet sowohl lange als auch kurze Diagonalen |
FAQ
1. Ist die Dicke der Probe wichtig?
Ja, laut ASTM sollte die Probendicke mindestens das Zehnfache der Eindrucktiefe betragen, während die ISO-Norm ein Drittel der gemessenen Diagonallänge vorschreibt. Wird diese Bedingung nicht erfüllt, sind die Messwerte fehlerhaft.
2. Ist die Anwendung der Knoop-Methode von der Diagonallänge abhängig?
Ja, wenn die Länge der langen Diagonale weniger als 20 Mikrometer (20 μm) beträgt, können Sie den Knoop-Härtetest nicht durchführen. Ihre Messwerte und Berechnungen werden ungenau sein.
3. Gibt es einen Lastbereich für den Knoop-Härtetest?
Ja, es gibt einen Lastbereich für diese Methode. ASTM und ISO geben an, dass dieser zwischen 1 Gramm-Kraft (1 gf) und 2 Kilogramm-Kraft (2 kgf) liegt. Das bedeutet, dass diese Methode nur für die Prüfung geringer Lasten verwendet wird.