Härteprüfung

Härteprüfung

Die Härte eines Werkstoffs ist definiert als „der Widerstand, den ein Werkstoff der dauerhaften Verformung durch Eindringen eines härteren Prüfkörpers entgegensetzt.“ Härte ist keine Grundeigenschaft eines Werkstoffs, weshalb dieser quantitative Wert immer unter Berücksichtigung der folgenden Aspekte beurteilt werden muss:

  • die am Eindringkörper anliegende Kraft
  • das jeweilige Last-Zeit-Profil und die Lasteinwirkdauer
  • die Form des jeweiligen Eindringkörpers

Mit einer Härteprüfung wird in erster Linie die Eignung eines Werkstoffs oder einer bestimmten Behandlung, der der Werkstoff unterworfen wurde, bestimmt.

Durchführung von Härteprüfungen

Bei der Härteprüfung wird üblicherweise die durch einen Eindringkörper erreichte Tiefe (Rockwell, Instrumentierte Härteprüfung, Kugeleindruck) oder die durch einen Eindringkörper erreichte Größe (Vickers, Knoop und Brinell) gemessen.

Die Wahl der am besten geeigneten Härteprüfmethode hängt von dem Gefüge des Werkstoffs ab, d. h. von dessen Homogenität. Dabei ist darauf zu achten, dass das dem Eindringkörper während der Härteprüfung ausgesetzte Material repräsentativ für das gesamte Gefüge ist. Das gilt natürlich nicht, wenn die verschiedenen Bestandteile eines Gefüges untersucht werden sollen. Anders ausgedrückt ist bei einem sehr groben, heterogenen Gefüge ein größerer Eindruck erforderlich als bei einem homogenen Werkstoff.

 

Auswahl der Prüfmethode

Bei der Auswahl der richtigen Methode ist Folgendes zu beachten:

  • 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 Härteprüfungen

Rockwell

Rockwell

Rockwell ist ein schnelles Verfahren, das für die Überwachung der Fertigung 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.

Vickers

Vickers

Die Vickers-Härte (HV) wird durch Vermessen der Diagonalen eines Eindrucks ermittelt, der nach Belastung der Probe mit einem pyramidenförmigen Diamanteindringkörper unter einer bestimmten Prüfkraft gebildet wird. Die Länge der Diagonalen wird optisch erfasst. Die Härte wird anschließend mithilfe einer Tabelle bzw. Formel ermittelt.

Knoop

Knoop

Die Knoop-Härte (HK) ist eine Alternative zum Vickers-Verfahren für Härteprüfungen mit geringer Prüfkraft, in erster Linie um Rissbildung in spröden Werkstoffen (wie Keramik) zu vermeiden, aber auch, um die Prüfung dünner Schichten zu erleichtern. Als Eindringkörper wird ein asymmetrischer pyramidenförmiger Diamant verwendet. Die Größe des Eindrucks und damit die Härte wird durch optisches Vermessen der langen Diagonale bestimmt.

Brinell

Brinell

Die Härteprüfung nach Brinell führt zu einem verhältnismäßig großen Eindruck mit einer Wolframkarbidkugel und wird als HBW bezeichnet; W ist das chemische Symbol für Wolfram. Die Größe des Eindrucks wird optisch vermessen, um die Härte zu bestimmen. Diese Prüfung wird üblicherweise für geschmiedete Werkstücke und Gussstücke verwendet, die große, inhomogene Gefügebestandteile oder sehr grobe Strukturen aufweisen, sodass mit anderen Methoden, wie Rockwell oder Vickers, keine repräsentativen Ergebnisse erzielt werden können.

EINFLUSSGRÖSSEN

Das Ergebnis einer Prüfung wird durch zahlreiche Größen beeinflusst. Je geringer die bei einer Härteprüfung anliegende Prüfkraft, desto mehr Faktoren müssen bei der Prüfung beachtet werden. Einige davon sind nachstehend kurz beschrieben.

  • Externe Einflüsse, wie Licht, Verschmutzungen, Vibrationen, Temperatur und Feuchtigkeit, müssen kontrolliert werden.
  • Gute Ausgangsbedingungen, d. h. eine solide, horizontale Unterlage für Prüfgerät und Prüftisch sowie eine ordnungsgemäße Verspannung oder Stütze der Proben mit Halter oder Prüftisch, führen zu guten Ergebnissen. Der Eindringkörper muss sich senkrecht zur zu prüfenden Oberfläche befinden.
  • Bei einer Härteprüfung nach Vickers, Knoop oder Brinell dürfen die Beleuchtungseinstellungen während der Prüfung nicht verändert werden.
  • Das Prüfgerät muss bei jedem Ersatz von Eindringkörper oder Objektiv neu kalibriert/verifiziert werden.
Bei der Härteprüfung zu beachtende Faktoren

Anforderungen an die Präparation

Der erforderliche Oberflächenzustand hängt von der Art der Prüfung und des verwendeten Eindringkörpers ab.

Für eine Makrohärteprüfung reicht normalerweise ein Feinschliff aus, gelegentlich kann auf eine Präparation sogar ganz verzichtet werden. Für eine Mikrohärteprüfung muss die Oberfläche mechanisch oder elektrolytisch poliert sein. Wichtig ist, dass der Rand bzw. die Kante eines optisch vermessenen Eindrucks deutlich sichtbar ist.

Bei Mikrohärteprüfungen werden geringere Prüfkräfte für die Härteprüfung verwendet, weswegen die Anforderungen an die Oberflächenqualität entsprechend höher sind. Diese hohe Qualität kann mechanisch, chemisch oder elektrochemisch erreicht werden. Dabei ist unbedingt darauf zu achten, dass durch Wärme- oder Kälteeinwirkung während der Präparation der Probe keine Änderung der Oberflächeneigenschaften bewirkt wird.

Verformungen
Durch Trennen oder Schleifen verursachte Verformungen müssen durch Polieren, je nach anliegender Prüfkraft, bis zu einer Korngröße von 6, 3 oder 1 µm entfernt werden. Bei sehr geringen Prüfkräften von weniger als 300 gf darf die Oberfläche überhaupt keine Verformungen aufweisen. Derartige Proben erfordern eine Oxidpolierstufe oder sogar eine elektrolytische Polierstufe, um eine vollständig unbeschädigte Oberfläche zu erreichen. Weiterhin ist zu berücksichtigen, dass sich Präparationsartefakte eher in weichen bzw. zähen Werkstoffen (z.B. < HV 120-150) bilden.

Generell gilt jedoch, dass Schwankungen der gemessenen Härte direkt mit der Qualität der Oberflächenpräparation zusammenhängen. Deswegen ist es sinnvoll, vor der Wahl einer unzureichenden Oberflächenpräparation die Auswirkungen der Oberflächenqualität auf das Prüfungsergebnis sorgfältig abzuwägen.

Quelle: 1 Metallography and practice, George F. Vander Voort

Die Präparationsanforderungen für die verschiedenen Härteprüfungen gehen aus der nachstehenden Tabelle hervor:

Hardness testing Method table

Prüfkräfte für Härteprüfung

  • Bei Prüfkräften von weniger als 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.

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 kgf = 1000 gf = 1 kp = 9,81 N

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

Methoden für die Härteprüfung, Tabelle 2
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.

Beispiel
Bei einer Härteprüfung nach Vickers von Stahl, Kupfer und Kupferlegierungen muss der Abstand zwischen Eindrücken mindestens drei Diagonalbreiten betragen, bei Blei, Zink, Aluminium und Zinn mindestens sechs Diagonalbreiten.

Fehlerbehandlung

Problem

Bei der Präparation 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 % voneinander abweichen. Bei der Härteprüfung nach Knoop dürfen die beiden Hälften der langen Diagonale nicht mehr als 10 % voneinander abweichen.

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Anwendungslösung:

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, sicherzustellen, 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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Anwendungslösung

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. SiehePräparations anforderungen 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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Anwendungslösung

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 lässt sich der Rand eines Eindrucks nur schwer erfassen, was zu ungenauen Härtewerten führen kann.
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Anwendungslösung

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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Anwendungslösung

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