Härteprüfung

HÄRTEPRÜFUNG

Die Härteprüfung ist eines der wichtigsten Elemente zahlreicher Qualitätssicherungsverfahren und F&E-Arbeiten.

Was ist Härteprüfung? Wie finden Sie das für Ihre Zwecke beste Verfahren für die Härteprüfung? Wie wird die Härteprüfung am besten angewendet? Und welche Schlüsse können Sie aus den Ergebnissen einer Härteprüfung ziehen? Auf den folgenden Seiten wollen wir diese – und viele andere – Fragen beantworten.

Die Geräte von Struers für die Härteprüfung und das entsprechende Zubehör finden Sie auf der Seite über Ausrüstung für die Härteprüfung.

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Was ist Härteprüfung?

Mithilfe von Härteprüfung können Sie Materialeigenschaften, wie Festigkeit, Zähigkeit und Verschleißfestigkeit, beurteilen und so besser entscheiden, ob ein bestimmter Werkstoff oder eine bestimmte Werkstoffbehandlung für Ihre Zwecke geeignet ist.

Die Härteprüfung ist definiert als „eine Prüfung zum Bestimmen des Widerstands, den ein Werkstoff der dauerhaften Verformung durch Eindringen eines härteren Eindringkörpers entgegensetzt“. Die Härte gehört jedoch nicht zu den Grundeigenschaften eines Werkstoffs. Deswegen müssen Sie, um die korrekten Schlüsse aus einer Härteprüfung zu ziehen, den quantitativen Wert immer in Bezug zu Folgendem setzen:
  • Die am Eindringkörper anliegende Kraft
  • Das jeweilige Last-Zeit-Profil und die Lasteinwirkdauer
  • Die Form des jeweiligen Eindringkörpers

Wie funktioniert die Härteprüfung?

Bei der Härteprüfung wird normalerweise ein Gegenstand (Eindringkörper) mit vorgegebenen Abmessungen und vorgegebener Last in die Oberfläche des zu prüfenden Werkstoffs gedrückt. Dabei wird die Härte durch Messen der Eindringtiefe des Eindringkörpers oder durch Messen der Größe des vom Eindringkörper hinterlassenen Eindrucks bestimmt.
  • Zu Härteprüfungen, bei denen die Eindringtiefe gemessen wird, gehören: Rockwell, IIT, Kugeleindrücke
  • Zu Härteprüfungen, bei denen die Größe des vom Eindringkörper hinterlassenen Eindrucks gemessen wird, gehören: Vickers, Knoop und Brinell

AUSWAHL DER AM BESTEN GEEIGNETEN HÄRTEPRÜFMETHODE

Auswahl der Prüfmethode

Ihre Wahl der Härteprüfung wird durch das Gefüge, z.B. die Homogenität des zu prüfenden Werkstoffs, sowie die Art des Werkstoffs, die Größe des Prüfteils und seinen Zustand bestimmt.

Bei allen Härteprüfungen muss das gewählte Material repräsentativ für das gesamte Gefüge sein, es sei denn, Sie wollen die verschiedenen Bestandteile des Gefüges bestimmen. Aus diesem Grund wählen Sie bei einem sehr groben, heterogenen Gefüge einen größeren Eindruck als bei einem homogenen Werkstoff.

Generell unterscheidet man vier Härteprüfmethoden, die jeweils eigene Vorteile bieten und unterschiedliche Anforderungen haben. Für jede Härteprüfung gibt es eigene Normen, die genaue Anweisungen hinsichtlich der Verfahren und Anwendung der jeweiligen Prüfung enthalten.

Bei der Wahl eines geeigneten Verfahrens für die Härteprüfung sollten Sie unbedingt Folgendes bedenken:
  • Art des zu prüfenden Werkstoffs
  • Einhaltung bestimmter Normen
  • Ungefähre Härte des Werkstoffs
  • Homogenität/Heterogenität des Werkstoffs
  • Größe des Teils
  • Notwendigkeit einer Einbettung
  • Anzahl der zu prüfenden Proben
  • Erforderliche Genauigkeit des Ergebnisses

Die vier am häufigsten verwendeten Härteprüfmethoden

Rockwell

Härteprüfung nach Rockwell

Die Härteprüfung nach Rockwell ist ein schnelles Verfahren, das für die Überwachung der Fertigung, in erster Linie mit metallischen Werkstoffen, entwickelt wurde. Die Werte sind direkt ablesbar. Die Rockwell-Härte (HR) wird durch Vermessen der Tiefe eines Eindrucks ermittelt, nachdem ein Eindringkörper mit einer bestimmten Prüfkraft in die Probe gedrückt wurde.

  • Generell für größere Probengeometrien gedacht
  • „Schnelltest“ hauptsächlich für metallische Werkstoffe
  • Auch geeignet für anspruchsvollere Prüfungen, wie die Prüfung nach Jominy (HRC) (Stirnabschreckversuch)

Vickers

Härteprüfung nach Vickers

Die Härteprüfung nach Vickers eignet sich zur Prüfung aller Feststoffe, einschließlich metallischer Werkstoffe. Die Vickers-Härte (HV) wird durch Vermessen der Diagonalen eines Eindrucks ermittelt, der nach Belastung der Probe mit einem pyramidenförmigen Diamanten als Eindringkörper unter einer bestimmten Prüfkraft gebildet wird. Die Länge der Diagonalen wird optisch erfasst. Die Härte wird anschließend mithilfe einer Tabelle bzw. Formel ermittelt.

  • Härteprüfung aller Feststoffe, einschließlich metallischer Werkstoffe
  • Großer Anwendungsbereich
  • Auch geeignet für die Härteprüfung von Schweißnähten

Knoop

Härteprüfung nach Knoop

Die Knoop-Härte (HK) ist eine Alternative zur Vickers-Härte für Härteprüfungen mit geringer Prüfkraft. Sie dient in erster Linie dazu, Rissbildung in spröden Werkstoffen zu vermeiden, aber auch, um die Prüfung dünner Schichten zu erleichtern. Als Eindringkörper wird ein asymmetrischer pyramidenförmiger Diamant verwendet. Die Härte wird durch optisches Vermessen der langen Diagonale des Eindrucks berechnet.

  • Für harte, spröde Werkstoffe wie Keramik
  • Geeignet für kleine, längliche Bereiche, wie Beschichtungen

Brinell

Härteprüfung nach Brinell

Die Härteprüfung nach Brinell wird für große Proben aus Werkstoffen mit einer groben oder inhomogenen Kornstruktur verwendet. Sie hinterlässt einen verhältnismäßig großen Eindruck mit einer Wolframkarbidkugel, die Härte wird als HBW bezeichnet. Die Größe des Eindrucks wird optisch vermessen.

  • Für Werkstoffe mit grober oder inhomogener Kornstruktur
  • Für große Proben
  • Geeignet für geschmiedete Werkstücke und Gussstücke mit großen, inhomogenen Gefügebestandteilen

GEWÄHRLEISTUNG VON GENAUIGKEIT UND REPRODUZIERBARKEIT BEI DER HÄRTEPRÜFUNG

Die ordnungsgemäße Anwendung der Härteprüfung verlangt eine sorgfältige Vorbereitung und Durchführung der Prüfung. Sind die grundlegenden Voraussetzungen erfüllt, bieten die meisten Härteprüfungen eine gute Genauigkeit und Reproduzierbarkeit.

Faktoren, die die Härteprüfung beeinflussen

Das Ergebnis einer Härteprüfung wird durch zahlreiche Faktoren beeinflusst. Generell gilt die Faustregel: Je geringer die Prüfkraft bei der Härteprüfung, desto mehr Parameter müssen beachtet werden, um ein korrektes Ergebnis zu erzielen.

Nachstehend sind einige der wichtigsten Faktoren genannt, die es zu bedenken gilt, um korrekte Ergebnisse bei der Härteprüfung zu gewährleisten.
  • Externe Einflüsse, wie Licht, Verschmutzungen, Vibrationen, Temperatur und Feuchtigkeit, müssen kontrolliert werden.
  • Das Prüfgerät muss auf einem stabilen, horizontalen Untertisch stehen, mit horizontal ausgerichtetem Prüftisch. Die Probe muss eingespannt sein oder in einem Halter oder dem Prüftisch gehalten werden.
  • Der Eindringkörper muss sich senkrecht zur zu prüfenden Oberfläche befinden.
  • Bei der Härteprüfung nach Vickers, Knoop oder Brinell ist eine konstante Beleuchtung während der Prüfung erforderlich.
  • Das Prüfgerät muss bei jedem Ersatz von Eindringkörper oder Objektiv neu kalibriert/verifiziert werden.
Härteprüfung

Anforderungen an die Oberflächenpräparation bei der Härteprüfung

Vor der Härteprüfung von metallischen oder anderen Werkstoffen muss die Oberfläche entsprechend präpariert werden. Der erforderliche Oberflächenzustand hängt von der Art der Prüfung und des verwendeten Eindringkörpers ab. Da sich Qualität der Oberflächenpräparation in der Regel direkt auf das Ergebnis der Härteprüfung auswirkt, sollten Sie vor der Wahl einer unzureichenden Oberflächenpräparation die Auswirkungen der Oberflächenqualität auf das Prüfungsergebnis sorgfältig abwägen.

Makrohärteprüfung
Normalerweise reicht ein Feinschliff aus, gelegentlich kann auf eine Präparation sogar ganz verzichtet werden.

Mikrohärteprüfung
Aufgrund der geringeren Prüfkräfte muss die Oberfläche für eine Mikrohärteprüfung mechanisch oder elektrolytisch poliert sein. Wichtig ist, dass der Rand bzw. die Kante eines optisch vermessenen Eindrucks deutlich sichtbar ist. Diese hohe Qualität kann mechanisch, chemisch oder elektrochemisch erreicht werden. Dabei ist unbedingt darauf zu achten, dass durch Wärme- oder Kälteeinwirkung keine Änderung der Oberflächeneigenschaften bewirkt wird.

Verformungen

Trennen und Schleifen können Verformungen verursachen. Diese müssen anschließend durch Polieren, je nach anliegender Prüfkraft, mit einer Genauigkeit von 6, 3 oder 1 µm entfernt werden.

Bei geringen Prüfkräften von weniger als 300 gf darf die Oberfläche überhaupt keine Verformungen aufweisen. Derartige Proben erfordern eine Oxidpolierstufe oder eine elektrolytische Polierstufe, um eine vollständig ungeschädigte Oberfläche zu erreichen. Weiterhin ist zu berücksichtigen, dass sich Präparationsartefakte eher in weichen bzw. zähen Werkstoffen, bei HV von weniger als 120-150, bilden.

Die Anforderungen an die Oberflächenpräparation bei den verschiedenen Härteprüfungen gehen aus der nachstehenden Tabelle hervor.

HAT

DEFINITION DER PRÜFKRÄFTE BEI DER HÄRTEPRÜFUNG

Offiziell werden Prüfkräfte in Newton (N) angegeben, traditionell werden sie jedoch in Kilogramm-Force (kgf), Gramm-Force (gf) oder Pond (p) ausgedrückt. Dabei gilt folgende Korrelation: 1,0 kgf = 1.000 gf = 1,0 kp = 9,81 N.
  • Bei Prüfkräften von bis zu 1 kgf wird häufig von einer Mikrohärteprüfung gesprochen.
  • Entsprechend wird für Härteprüfungen mit mehr als 1 kgf der Begriff Makrohärteprüfung verwendet.

Sofern Normen nichts Gegenteiliges vorschreiben, sollte die höchstzulässige Prüfkraft verwendet werden, um große Eindrücke und damit eine hohe Genauigkeit zu erreichen.

Die Prüfkräfte der vier Verfahren für metallische Werkstoffe* entsprechen den Anforderungen der jeweiligen ISO- und ASTM-Normen.

HAT
Härteprüfung, Abstand zwischen Eindrücken

ABSTAND ZWISCHEN EINDRÜCKEN

Während der Härteprüfung wird das umgebende Material durch den Eindruck verformt, was die Materialeigenschaften verändert. Um eine falsche Auslegung der ermittelten Härte zu verhindern, schreiben Normen einen bestimmten Abstand zwischen mehreren Eindrücken vor.

Beispiele für den Abstand zwischen Eindrücken bei der Härteprüfung nach Vickers von metallischen Werkstoffen

  • Stahl, Kupfer und Kupferlegierungen: Der Abstand zwischen Eindrücken muss mindestens drei Diagonallängen betragen.
  • Blei, Zink, Aluminium und Zinn: Der Abstand zwischen Eindrücken muss mindestens sechs Diagonallängen betragen.

FEHLERSUCHE UND-BEHEBUNG BEI DER HÄRTEPRÜFUNG

Problem

Bei der Präparation für die Härteprüfung lassen sich planparallele Flächen nur unter großen Schwierigkeiten herstellen. Außerdem muss sich der Eindringkörper senkrecht zur zu prüfenden Oberfläche befinden. Bei der Härteprüfung nach Vickers dürfen die zu vermessenden Diagonalen nicht mehr als 5,0 % voneinander abweichen. Bei der Härteprüfung nach Knoop dürfen die beiden Hälften der langen Diagonale nicht mehr als 10,0 % voneinander abweichen.

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Lösung:

Beruht die Abweichung nicht auf einer Anisotropie des Werkstoffs, besteht die beste Lösung darin, die Probe zu fixieren, sodass der Eindringkörper senkrecht in die Probe eindringen kann. Wenn eine Fixierung nicht möglich ist, sicherstellen, dass bei der mechanischen Präparation der Probe planparallele Flächen herausgearbeitet werden.
Bei einer zu rauen Oberfläche der Probe lässt sich der Rand des Eindrucks insbesondere mit automatischen Geräten nicht korrekt erfassen. Präparationsbedingte Kratzer können bei der Verwendung von automatischen Härteprüfgeräten ein falsches Vermessen der Eindruckgröße verursachen.
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Lösung

Nur polierte Flächen verwenden. Die Anforderungen an die Oberflächenqualität sind abhängig von der verwendeten Prüfkraft und der Härte des Werkstoffs. Je weicher der Werkstoff, desto höher muss die Polierqualität sein. Siehe Präparationsanforderungen im Abschnitt Durchführung von Härteprüfungen. In e-metalog nach einer geeigneten Präparationsmethode für diesen Werkstoff suchen.
Wenn die Probe nach der mechanischen Präparation nicht ordnungsgemäß gereinigt wurde und das Ergebnis der Härteprüfung optisch bestimmt wird, kann der Rand des Eindrucks vom optischen Gerät falsch erfasst werden.
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Lösung

Immer darauf achten, dass die Proben ordnungsgemäß gereinigt sind. Wenn nicht, können Verunreinigungen wie Staub oder Fasern vom Poliertuch das Auslesen stören.
Bei stark geätzten Proben kann der Rand eines Eindrucks nur schwer erfassbar sein, was zu ungenauen Härtewerten führen kann.
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Lösung

Auf Ätzen weitestgehend verzichten, da die Oberfläche dadurch weniger reflektiert. Falls auf ein Ätzen nicht verzichtet werden kann, dieses so gering wie möglich ausführen, um den Rand des Eindrucks eindeutig erfassen zu können. Dies gilt beispielsweise bei der Beurteilung einer Schweißnaht.
Der Härtewert ist höher als erwartet.
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Lösung

Regeln für den korrekten Abstand zwischen Eindrücken für die jeweilige Härteprüfung kontrollieren. Ist der Abstand zwischen Eindrücken zu gering, können Kalthärtungen auftreten.
Ausstattung für die Härteprüfung

KOMPLETTES SORTIMENT AN HÄRTEPRÜFGERÄTEN

Die Härteprüfung ist der wichtigste Bestandteil der meisten Qualitätssicherungsabläufe. Deswegen bietet Struers eine komplette Auswahl an Härteprüfgeräten und Zubehör für alle Anforderungen, vom gelegentlichen Einsatz im Labor bis hin zu anspruchsvollen Härteprüfungen im Produktionsbereich.

Sehen Sie sich unser Angebot an Härteprüfgeräten an, um zu prüfen, ob Ihr Gerät der jeweiligen Anforderungen entspricht.

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Härteprüfung

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