„Härteprüfung“

Praktikums-Versuch Nr. 6
Werkstofftechnik
Prof. Dr. B. Lödding
Prof. Dr.-Ing. G. Kötting
Prof. Dr. rer. nat. J. Peterseim
Dipl. Ing. H. Uphoff
Dipl.-Ing. J. Schifter
Dipl. Ing. H. Albrecht
„Härteprüfung“
WT-Praktikum-Verbundstudium-Versuch06-Härteprüfung
1. Grundlagen
1.1 Zweck der Härteprüfungen
Härteprüfungen können aus verschiedenn Gründen vorgenommen werden:
• zur Beurteilung des Verschleißverhaltens oder der Druckbelastbarkeit von Werkstoffen,
• zur Überprüfung der Wirksamkeit von Werkstoffbehandlungsverfahren, die mit einer Härteveränderung
einhergehen oder unmittelbar darauf abzielen: Kaltverfestigung, Wärmebehandlungen, Aushärten
usw.,
• Um Rückschlüsse auf andere Werkstoffeigenschaften zu ermöglichen, z.B. Festigkeit.
In der täglichen Betriebspraxis, sowie in Forschung und Entwicklung werden solche Härteprüfverfahren
eingesetzt, bei denen ein Prüfkörper unter der Wirkung einer statischen Prüfkraft in den zu prüfenden
Werkstoff eingedrückt wird.
Die wichtigsten Verfahren zur Ermittlung der Härte
- von Metallen sind die Prüfverfahren nach Brinell, Vickers und Rockwell.
- von Kunststoffen die Prüfverfahren nach Shore A und Shore D
1.2 Anwendungstechnische Aspekte der Härteprüfverfahren
1.2.1 Härteprüfung nach Brinell (DIN EN ISO 6506-1)
Hierbei handelt es sich um das älteste gebräuchliche Verfahren, das Anfang des 20. Jahrh. von Brinell
entwickelt wurde. Um die Brinell-Härteprüfung den zu prüfenden Werkstoffen und der Bauteildicke
anzupassen werden unterschiedliche Kugeldurchmesser und Prüfkräfte gewählt.
Kugelwerkstoff
Kugel aus Hartmetall, anwendbar für Werkstoffe mit Brinell-Härtewert bis etwa 650 HBW
Beanspruchungsgrad
Um gleiche Prüfbedingungen zu gewährleisten, müssen den unterschiedlichen Kugeldurchmessern (1, 2,
2,5, 5, 10 mm) entsprechende Prüfkräfte zugeordnet werden. Hierzu dient der Beanspruchungsgrad:
Beanspruchungsgrad = 0,102 . F / D2
Der Beanspruchungsgrad ist als Näherungswert für die Flächenpressung zwischen Kugel und
Prüfstückoberfläche anzusehen. Bei Einhaltung der in der Gleichung ausgedrückten Beziehung ist die
Flächenpressung nahezu unabhängig vom gewählten Kugeldurchmesser. Der Faktor 0,102 dient zur
Umrechnung der Krafteinheit "Newton" (N) in "Kilopond" (kp). Diese Umrechnung ist erforderlich, weil Kräfte
nur noch in der Einheit "Newton" angegeben werden, bei der Brinellprüfung aber nach wie vor mit der
Einheit "Kilopond" gearbeitet wird.
Beispiel dazu:
Für Stahl ist in der Norm DIN EN 10003 ein Richtwert für den Beanspruchungsgrad = 30 vorgesehen. Ein
dickes Werkstück soll mit einer Kugel mit D = 10 mm geprüft werden. Die Prüfkraft ergibt sich dann zu
F = 29420 N ( F = Beanspruchungsgrad . D2 / 0,102 = 30 . 100 / 0,102 N = 29420 N).
DIN ISO 410 enthält Tabellen zur Bestimmung der Brinellhärte, mit deren Hilfe für jeden gemessenen Eindruckdurchmesser und Belastungsgrad der Härtewert ohne Berechnung ermittelt werden kann.
Normgerechte Angabe eines Brinell-Härtewertes
245 HBW 2,5 / 187,5 / 20
I------ Prüfzeit in sec, wenn der Wert außerhalb des Bereiches von 10 bis 15 s liegt
I-------------- Prüfkraft in kgf (entspricht 1839 N)
I--------------------- Kugeldurchmesser in mm
I----------------------------- Härte nach Brinell mit Hartmetallkugel M
I ---------------------------------- Brinell-Härtewert (Härtezahl)
1
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Weitere Angaben
•
Aus dem Brinell-Härtewert kann in Näherung ( Genauigkeit etwa 10%) die Festigkeit für ferritische
Stahle und Stahlgußsorten berechnet werden:
Rm ≈ 3,4 . HBW [MPa] (Beispiel: für 200 HBW ergibt sich:
Rm ≈ 3,4 . 200 MPA = 680 MPa)
•
Aufgrund des relativ großen Kugeldurchmessers eignet sich die Brinell-Härtemessung für heterogene
Werkstoffe wie Gußeisen. Die große Prüfkugel erfaßt gleichmäßig härtere und weichere
Gefügebestandteile und liefert dadurch gute Mittelwerte.
•
Nachteilig sind die hohen Prüfkräfte, mit denen dünne Bleche und Oberflächenbeschichtungen
durchdrückt werden können.
•
Im Vergleich zur Vickers-Härteprüfung (Diamanteindringkörper) ist durch die begrenzte Eigenhärte
der Prüfkörper die Brinell-Härteprüfung nicht für sehr harte Werkstoffe geeignet.
1.2.2
Härteprüfung nach Vickers (DIN EN ISO 6507-1)
Prüfkraftbereiche der Vickers-Härteprüfung:
- normaler Prüfbereich (Makrohärte): 49,03 bis 980,7 N
- Kleinkraftbereich (Kleinkrafthärte): 1,961 bis 29,42 N
- Mikrobereich (Mikrohärte):
< 1,961 N
HV 5 bis HV 100
HV 0,2 bis HV 5
HV 0,01 bis HV 0,2
Der Eindringkörper besteht aus einer Diamantspitze mit einem Öffnungswinkel (Winkel zwischen den
gegenüberliegenden Flächen) von 136°.
Im normalen Prüfbereich sind Vickerseindrücke, die mit unterschiedlichen Prüfkräften erzeugt werden,
geometrisch ähnlich: wird die Prüfkraft z.B. verdoppelt, ist die Eindruckoberfläche ebenfalls doppelt so groß.
Diese geometrische Ähnlichkeit gilt nur eingeschränkt im Kleinlastbereich. Sie gilt nicht im Mikrobereich, da
hier die elastische Verformung unter dem Eindringkörper nicht mehr vernachlässigt werden kann.
DIN ISO 409 enthält Tabellen zur Bestimmung der Vickershärte, mit deren Hilfe aus den Mittelwerten der
gemessenen Eindruckdiagonalen und den jeweiligen Prüfkräften der Härtewert ohne Berechnung ermittelt
werden kann.
Normgerechte Angabe eines Vickers-Härtewertes:
485 HV 30 / 20
I-------I-------------I------------------I------------------------
Prüfzeit in sec, wenn der Wert außerhalb des Bereiches von 10 bis 15 s liegt.
Prüfkraft in kp (entspricht 294 N)
Härte nach Vickers
Vickers-Härtewert
Weitere Angaben
•
Aus dem Vickers-Härtewert kann in Näherung die Festigkeit für ferritische Stähle und Stahlgußsorten
berechnet werden:
Rm ≈ 3,3 . HV [MPa]
•
Keine Einschränkung hinsichtlich der Härte des zu prüfenden Werkstoffs wegen des Eindringkörpers
aus Diamant.
•
Durch die freie Anpassung der Prüfkräfte an den zu prüfenden Werkstoff können sehr weiche
Werkstoffe (Blei, Zinn z.B.) ebenso wie sehr harte Werkstoffe ( Werkzeugstähle, Hartmetalle) geprüft
werden.
•
Ebenso erlaubt die Vickers-Prüfung die Härtemessung an dünnen Blechen oder
Oberflächenbeschichtungen.
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1.2.3
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Härteprüfung nach Rockwell ( DIN EN 10109)
Von den verschiedenen Rockwell-Härteprüfungen (Eindringtiefenmessungen), die auf verschiedene
Anwendungsfälle abgestimmt sind, werden am häufigsten angewendet:
-
Prüfung nach HRC mit einem Diamantkegel für harte Werkstoffe (Rm > 800 MPa),
Prüfung nach HRB mit einer Hartmetallkugel für weichere Werkstoffe (Rm < 800 MPa).
Prüfung nach HRB mit einer Stahlkugel für weichere Werkstoffe (Rm < 800 MPa).
Das Prinzip der Rockwellhärteprüfung ist nachfolgend zusammen mit Bild 1 am Beispiel der Rockwell-CHärteprüfung erläutert.
-
Aufbringen einer Prüfvorkraft Fo ( = 98,07 N). Damit wird erreicht:
- ein sicherer Kontakt zwischen Prüfeinrichtung, Werkstück und Eindringkörper (Diamantkegel)
- die Eindringtiefe ( 1 ) als Bezugsebene für die Messung
-
Aufbringen der Prüfkraft F1 ( = 1373 N) zusätzlich zur Prüfvorkraft Fo; Eindringtiefe ( 2 )
-
-
Entlasten auf Prüfvorkraft Fo; dabei elastische Rückverformungund ( 3 ), Messung der bleibenden
Eindringtiefe ( 4 ) = h. Die Rockwell-C-Skalentiefe beträgt 0,2 mm und ist N = 100-fach unterteilt
(Skalenteilung S = 0,002 mm).
Rockwellhärte = N – h / S
Beispiel:
Bei einer HRC – Messung ist die bleibende Eindringtiefe: h = 0,02 mm. Damit ergibt sich für
die Rockwellhärte = 100 – 0,02 / 0,002 = 100 – 10 = 90 ( 90 HRC )
Die Härteprüfgeräte für die Rockwellverfahren sind mit Meßeinrichtungen versehen, die direkt die Rockwellhärte in Rockwelleinheiten anzeigen. Umrechnungen sind daher nicht erforderlich.
Normgerechte Angabe eines Rockwell-Härtewertes:
55 HRC
I-----I--------I---------------
Rockwell-Skala C
Härte nach Rockwell
Rockwell-Härtewert
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Weitere Angaben
• Rockwell-Härteprüfungen zeichnen sich gegenüber der Vickers- und Brinell-Prüfung durch kurze
Prüfdauer und leichte Automatisierbarkeit aus.
• Nachteilig sind die hohen Prüfkräfte. Die Prüfkräfte können nicht an den zu prüfenden Werkstoff
angepaßt werden,da jede Rockwell-Skala nur für die genormte Zusammenstellung aus Eindringkörper,
Prüfvorkraft und Prüfkraft definiert ist.
• Sehr weiche Werkstoffe (Blei, Zinn, Zink) können mit den Rockwell-Verfahren nicht geprüft werden, da
die bleibende Eindringtiefe größer als 0,2 bzw. 0,26 mm wird.
1.2.4
Härteprüfung nach Shore A bzw. Shore D (DIN 53505)
Zur Bestimmung der Härte an Probekörpern und Erzeugnissen aus Kunststoffen wird mit Hilfe einer
Tiefenmeßuhr eine Stahlspitze mit bestimmter Form und mit definierter Federkraft in die Oberfläche
eingedrückt (s. Bild 2). Je nach Eindringtiefe wird auf einer Härteskala der Tiefenmessuhr der Härtewert
zwischen 0 und 100 Einheiten abgelesen. Dabei entspricht 0 der kleinsten und 100 der größten Härte.
Das Aufsetzen der Prüfspitze kann mit der Hand erfolgen, dabei muß aber mit einer höheren
Meßunsicherheit gerechnet werden. (Nur an großen Prüfstücken anwenden)
Bei kleineren Probekörpern wird ein Messständer verwendet, in der die Meßuhren eingespannt werden.
Beim Anheben der Probe mit einem Probenteller wird ein planparalleles Andrücken an die Meßuhr
sichergestellt.
Die Höhe der Andrückkraft erfolgt durch aufgelegte Gewichte (12,5 ± 0,5) N bei Shore A bzw. (50 ± 0,5) N
bei Shore D.
Maximale Federkraft der Messuhren Shore A (8065 mN) Shore D (44500 mN) bei 100 Shore
Härteeinheiten, dabei wird die Prüfspitze 2,5 mm in die Messuhr (Federweg) eingedrückt.
Die Shore A Härte wird ermittelt im Bereich 10 bis 90 Härteeinheiten (weichere Kunststoffe)
Die Shore D Härte wird ermittelt im Bereich 30 bis 90 Härteeinheiten (härtere Kunststoffe) (s. Bild 3)
Da sich die Messwerte durch die visko-elastischen Eigenschaften der Kunststoffe zeitabhängig verändern
können, soll der Härtewert 3 s nach der Berührung zwischen der Auflagefläche des Härteprüfgerätes und
der Probenoberfläche abgelesen werden. Bei Probekörpern mit deutlichen Fließeigenschaften kann auch
nach 15 s abgelesen werden. Einstellbar ist die Messdauer an einer Signaluhr.
Bei den Probekörpern ist darauf zu achten:
- Prüfflächen glatt und eben, Durchmesser ≥ 35 mm;
- Dicke ≥ 6 mm; dünneres Material darf geschichtet werden, höchstens 3 Schichten mit ≥ 2 mm.
- Prüftemperatur bei (23 ± 2) °C; bei anderen Prüftemperaturen sind die Prüfkörper mindestens
30 min in der Temperierkammer anzugleichen.
Normgerechte Angabe eines Shore-Härtewertes:
Shore-A-Härte 75 oder kurz: 75 Shore A
67 bis 69 Shore A bei 28 °C und 15 s
58 Shore A nach 72 h bei -30 °C
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Bild 2: Eindringkörper
Bild 3: Überblick über die Anwendungsgrenzen verschiedener Härteprüfverfahren für Kunststoffe.
Es bestehen keine Korrelationen!
1.2.5
Nanoindentaion
Um verlässliche Härtewerte zu bekommen, darf der Prüfkörper nur bis ca. 10% der Schichtdicke
eindringen. Liegen die zu prüfenden Schichten im nm-Bereich, so sind die 4 klassischen Härteverfahren
idR. aufgrund der zu großen Eindringtiefe bzw. zu hohen Kräfte nicht einsetzbar.
Hier bedient man sich der sog. Nanoindentation. Dabei wird mit einer dreiecksförmigen Diamantspitze mit
einem Öffnungswinkel von 65,3° (Berkovitch-Spitze) mittels eines Kraftmikroskops (AFM) indentiert.
Prüfkräfte liegen dabei im mN-Bereich bei Eindruck-Tiefen von wenigen nm. Typische Anwendungen
dieses Härteverfahrens sind z.B. moderne Schichtsysteme (z.B. Lacke oder Brillenbeschichtungen). Dieses
Verfahren wird im Praktikum nicht durchgeführt.
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1.3 Umwertung von Härtewerten nach DIN 50150
Aufgrund der unterschiedlichen Werkstoffreaktionen auf die Spannungsbedingungen unter den
verschiedenartigen Eindringkörpern ist es unmöglich, nach verschiedenen Verfahren gemessene
Härtewerte mit einer Berechnungsformel ineinander umzurechnen. Exakt vergleichbar sind daher nur
Härtewerte, die mit dem gleichen Härteprüfverfahren unter gleichen Prüfbedingungen ermittelt worden sind.
Für warmumgeformte Stähle und Stahlguß, jeweils unlegiert oder niedriglegiert und wärmebehandelt, wurde
auf der Basis sehr umfangreicher Versuche eine Tabelle einander entsprechender, nach verschiedenen
Härteprüfverfahren ermittelter Härtewerte und Zugfestigkeitswerte erstellt. Mit Hilfe dieser Tabelle können
z.B. einem nach dem Vickers-Verfahren ermittelten Härtekennwert die entsprechenden Werte der Brinelloder einer Rockwellskala oder auch die Zugfestigkeit zugeordnet werden. Bei Umwertungen in diesem
Sinne muß jedoch immer mit einem bestimmten Maß an Streuungen gerechnet werden.
Für die Brinell- und Vickershärte kann mit ausreichender Genauigkeit nachfolgende Umwertungsformel
benutzt werden:
HBM = 0,95 . HV
(bei Härten bis 470HV).
Für den überschlägigen Vergleich von Vickers- unsd HRC-Werten gilt mit einer Genauigkeit von etwa 10%:
HV ≈ 10 . HRC.
2. Aufgaben und Durchführung des Praktikum-Versuchs
Bei der Durchführung aller praktischen Versuche ist zu beachten:
1. vorherige Einweisung durch das Laborpersonal;
2. Einhaltung der Laborordnung (Sicherheitsunterweisung);
3. den für den jeweiligen Versuch wichtigen Betriebsanweisungen
ist unbedingt Folge zu leisten!!!
Die Betriebsanweisungen befinden sich im besonders
gekennzeichneten Sicherheitsordner in jeweiliger Laboretage.
Am Praktikumstag werden an jeder der 4 Stationen Proben ausliegen:
-
Härteprüfung nach Rockwell:
Härteprüfung nach Brinell:
Härteprüfung nach Vickers:
Härteprüfung nach Shore A und D:
HRC,
vergüteter und gehärteter Stahl
HBW 10 / 3000 / 20
weicher Stahl
HV 30 / 20
vergüteter Stahl
Plastomere
Ein Betreuer weist die Gruppe in die Bedienung der Prüfeinrichtungen ein.
a Aus 6 Einzelmeßwerten ist jeweils der Mittelwert zu bestimmen.
Zur Bestimmung der Vickers- und Brinellhärtewerte werden die am Praktikumsplatz ausliegenden Tabellen
nach DIN ISO 409 und DIN ISO 410 benutzt, mit deren Hilfe aus den vermessenen Eindrücken ( Mittelwert
aus d1 und d2 bei der Brinell-Prüfung und Vickers-Prüfung) die jeweiligen Härtewerte direkt ermittelt werden
können.
Die Rockwell-Härtewerte werden direkt an der Meßuhr der Prüfmaschine abgelesen.
HRC-Werte am äußeren Zahlenring (schwarz).
Shore A und D Härtewerte werden direkt am Skalenring der Messuhr abgelesen.
b Mit den Näherungsformeln nach Kap. 1.2.1 und Kap. 1.2.2 ist die Zugfestigkeit aus dem Brinell- und dem
Vickershärtewert zu berechnen.
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3. Protokolle und Auswertung
a) Härteprüfung nach Rockwell Werkstoff: a:______________
Messung Nr
1
2
3
4
b:_______________
5
6
Mittelwert
a: HRC
b: HRC
Härteprüfgerät nach Rockwell (DIN 50103)
Fa. Karl Frank GmbH
-Prüfkörper: -Diamantkegel (120)
-Hartmetallkugel 1/16“ Diamant
-Ausführung entspricht DIN 51224
-Manuelle Prüfkrafterzeugung
-Regelbare Auftreffgeschwindigkeit
-Präzisions-Meßuhr mit autom. Nullstellung
mit direkt ablesbaren Meßergebnissen
b) Härteprüfung nach Brinell Werkstoff:_________________
Messung Nr
1
2
3
4
5
6
Mittelwert
d1
d2
(d1+d2) / 2
HBW
Hydraulische Universal – Prüfmaschine
Fa. Zwick
-
Durchführung von statischen
Zug/Druck/Biegeversuchen
Höchstprüfkraft: 60 kN
Zugversuche an Rund/Flachproben
Druckversuch mit Proben bis max.
300mm Länge
Biegeversuch mit Proben bis max.
550mm Länge
Prüfgeschwindigkeit: 0-300mm/min
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8
c) Härteprüfung nach Vickers Werkstoff:________________
Messung Nr
1
2
3
4
5
6
Mittelwert
d1
d2
(d1+d2) / 2
HV
Bestimmung der Zugfestigkeit:
aus Vickers-Härtewert:
Rm = . . . . . . . .
aus Brinell-Härtewert:
Rm = . . . . . . . .
aus Rockwell-Härtewert: Rm = . . . . . . . .
Härteprüfer
Fa. Wolpert
-
Werkstoffprüfung nach Brinell,
Rockwell und Vickers
Prüfkraft von 1kp – 250kp
Ausgestattet mit Zeiss-Optik
Prüfgeschwindigkeit: 0-300mm/min
d) Härteprüfung nach Shore:
Messung Nr
1
2
3
4
5
6
Mittelwert
Shore A – Werkstoff:
Shore A – Werkstoff:
Shore D – Werkstoff:
Shore D – Werkstoff:
Shore D – Werkstoff:
Shore D – Werkstoff:
Shore D – Werkstoff:
Shore Härteprüfer
Fa. Iba Industriebedarf
Messbereich: 0-100 Shore
Ablesung:
1 zu 1 Shore
Messtoleranz: ± 1 Shore
Härteprüfung: Shore A
Shore C
Shore D
Materialien: Elastomere, Neoprene,
Naturkautschuk, Kunststoffe, Weich PVC,
Hartgummi, Kunststoffe
-