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Härte

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Härte ist der mechanische Widerstand, den ein Körper dem Eindringen eines anderen, härteren Körpers entgegensetzt.

Die Härte eines Körpers lässt Rückschlüsse auf vielerlei Eigenschaften zu, wobei sich diese nach der Art des Körpers richten. Ein Beispiel ist das Verschleißverhalten. Harte Brillengläser verkratzen weniger, harte Zahnräder nutzen langsamer ab. Bei der Auswahl von Werkzeugschneiden wie Fräskopf oder Drehmeißel ist die Härte von besonderer Bedeutung, denn harte Schneiden bleiben länger scharf.

Vielfache Anwendung und je nach fachlichem Schwerpunkt andere Akzentsetzung findet der Begriff der Härte in der Festkörperphysik, der Materialwissenschaft bei der Analyse von Werkstoffen und in den Geowissenschaften bei der Charakterisierung von Gesteinen und Mineralen. Beide überschneiden sich diesbezüglich auch mit den Ingenieurwissenschaften, wobei die Härte vor allem in der Ingenieurgeologie eine größere Rolle spielt. Die Härte gehört mit der Risszähigkeit, Festigkeit, Duktilität, Steifigkeit, Dichte und der Schmelztemperatur zu den Werkstoffeigenschaften eines Werkstoffes.

Härteprüfung an einer Walze um 1900

Härte und Festigkeit

Die Härte eines Werkstoffs ist eine Oberflächeneigenschaft und hat daher nur bedingt etwas mit der Festigkeit des Werkstoffs zu tun, auch wenn die Festigkeit die Prüfverfahren zur Härtemessung, die auf der Eindringtiefe verschiedener Prüfkörper beruhen, beeinflusst. Der Einfluss der Festigkeit kann durch die Messung auf dünnen Filmen zwar reduziert, aber nicht völlig vermieden werden.

In bestimmten Fällen steht die Härte eines Werkstoffs allerdings in einem umwertbaren Zusammenhang zur Werkstoff-Festigkeit. Dann kann durch die verhältnismäßig preiswerte Härteprüfung eine meist viel aufwendigere Zugprüfung ersetzt werden. Von praktischer Bedeutung ist die Möglichkeit, eine Umwertung der Brinell- oder Vickershärte auf die Zugfestigkeit von Baustählen vorzunehmen. Bei Prüfungen an Stahlkonstruktionen ermöglicht es dies, eventuelle Materialverwechslungen nachzuweisen.

Die meisten Materialien großer Härte haben auch eine hohe Sprödigkeit, d.h. sie lassen sich kaum plastisch verformen, brechen jedoch plötzlich. Darauf beruht u.a. die Technik des Glasschneidens.

Härteprüfung und Härteskalen

Die Härte lässt sich nur durch den Vergleich von mehreren Werkstoffen oder Werkstoffzuständen ermitteln.

Härteprüfung nach Mohs

Harte Werkstoffe ritzen weiche. Diese Einsicht ist Grundlage der Härteprüfung nach Friedrich Mohs, die vornehmlich in der Mineralogie zum Einsatz kommt. Mohs, ein Geologe, ritzte verschiedene Minerale gegeneinander und ordnete sie so nach ihrer Härte. Durch das exemplarische Zuordnen von Zahlenwerten für ausgewählte Minerale entstand eine relative Härteskala, die Mohs-Skala, die in der Mineralogie und Geologie in weitem Gebrauch ist. Angaben zur Härte von Mineralen beziehen sich immer auf die Mohs-Skala, falls nichts anderes angegeben ist. Zum Vergleich aufgeführt ist die auch als absolute Härte bezeichnete Schleifhärte nach Rosiwal, die den Schleifaufwand des jeweiligen Stoffes charakterisiert und einen besseren Eindruck von den tatsächlichen Härteverhältnissen gibt. Beide Härteskalen sind einheitslos. Außerdem ist in der Tabelle die Härte nach dem Vickersverfahren angegeben. Sie gibt den besten Bezug auf die heute gängigen Härtemessverfahren wieder.

Mineral Härte (Mohs) absolute Härte Vickershärte in HV Bemerkungen
Talk 1 0,03 2,4 mit Fingernagel schabbar
Gips oder Halit 2 1,25 36 mit Fingernagel ritzbar
Kalzit 3 4,5 109 mit Kupfermünze ritzbar
Fluorit 4 5,0 189 mit Messer leicht ritzbar
Apatit oder Mangan 5 6,5 536 mit Messer noch ritzbar
Orthoklas 6 37 795 mit Stahlfeile ritzbar
Quarz 7 120 1120 ritzt Fensterglas
Topas 8 175 1427  
Korund 9 1000 2060  
Diamant 10 140.000 10060 härtestes natürlich vorkommendes Mineral; nur von sich selbst ritzbar

In der Werkstoffkunde, speziell bei den Metallen, werden vor allem Prüfverfahren eingesetzt, welche die Eindringhärte messen. Dabei werden genormte Prüfkörper unter festgelegten Bedingungen in das Werkstück gedrückt. Im Anschluss wird die Oberfläche oder Tiefe des bleibenden Eindruckes gemessen. Prinzipiell unterscheidet man in statische und dynamische Härteprüfverfahren. Die dynamischen Prüfverfahren bringen die Belastung des zu prüfenden Teiles schlagartig auf; bei den statischen Verfahren ist die Belastung gleich bleibend oder allmählich zunehmend.

Brinell Härteprüfung

Härteprüfung nach Brinell

Die vom schwedischen Ingenieur Johan August Brinell im Jahre 1900 entwickelte und auf der Weltausstellung in Paris präsentierte Methode der Härteprüfung kommt bei weichen bis mittelharten Metallen (DIN EN ISO 6506) wie zum Beispiel unlegiertem Baustahl oder Aluminiumlegierungen, bei Holz (ISO 3350) und bei Werkstoffen mit ungleichmäßigem Gefüge wie etwa Gusseisen zur Anwendung. Dabei wird eine Stahlkugel oder eine Hartmetallkugel mit einer festgelegten Prüfkraft F in die Oberfläche des zu prüfenden Werkstückes gedrückt. Nach dem letzten Stand der Normung ist eine Stahlkugel allerdings nicht mehr zulässig. Die Norm schreibt jetzt für alle Stoffe Kugeln aus Sinterhartmetall vor.

Nach einer Belastungszeit von 10 bis 15 Sekunden für Stähle oder Gusseisen und 10 bis 180 Sekunden für Nichteisenmetalle oder deren Legierungen wird der Durchmesser des bleibenden Eindrucks im Werkstück gemessen und daraus die Oberfläche des Eindrucks bestimmt. Bei anisotroper Verformung wird der zur Berechnung der Härte nötige Durchmesser aus dem größten d1 und kleinsten Durchmesser d2 gemittelt.

Das Verhältnis von Prüfkraft zur Eindruckoberfläche multipliziert mit dem Wert 0,102 bezeichnet man als die Brinellhärte. Der angegebene Zahlenfaktor ist der Kehrwert von 9,81 und dient der Umrechnung der Krafteinheit Newton in die ältere Einheit Kilopond. Damit wird sichergestellt, dass Härtemessungen unter Verwendung moderner Einheiten dasselbe Resultat ergeben wie historische Werte, die auf heute veralteten Einheiten beruhen.

Bei Einsatz einer Hartmetallkugel wird der Härtewert mit HBW, bei einer Stahlkugel wurde er mit HBS gekennzeichnet. Die verwendeten Kugeln haben Durchmesser von 10 mm, 5 mm, 2,5 mm und 1 mm.

Eine Abwandlung der Brinellprüfung ist die Prüfung mit dem Poldihammer, bei welcher der Eindruck der Kugel durch einen undefinierten Hammerschlag von Hand erzeugt wird. Wegen der schlagartigen Belastung handelt es sich um ein dynamisches Härteprüfverfahren. Dabei dringt die Kugel rückseitig in einen Metallstab mit definierter Härte ein. Aus dem Verhältnis der beiden Eindruckdurchmesser kann dann die Härte des Prüflings berechnet werden. Die Methode hat den Vorteil, dass mit ihr beliebig gelagerte Prüflinge und verbaute Bauteile vor Ort geprüft werden können. Die auf diese Weise ermittelten Härtewerte stimmen zwar nicht exakt mit den statisch ermittelten Härtewerten überein, für die in der Industrie gestellten Ansprüche sind sie jedoch in den meisten Fällen ausreichend. Die Bezeichnung „Poldi“ stammt vom gleichnamigen Stahlwerk im tschechischen Kladno, wo diese Prüfmethode entwickelt wurde.

Bei un- und niedriglegierten Stählen kann aus der Brinellhärte mit gewisser Toleranz die Zugfestigkeit des Werkstoffes abgeleitet werden.

Härteprüfung nach Vickers

Der Brinellprüfung sehr ähnlich ist die im Jahr 1925 von Smith und Sandland entwickelte und nach der britischen Flugzeugbaufirma Vickers benannte Härteprüfung, die zur Prüfung harter und gleichmäßig aufgebauter Werkstoffe dient, aber auch zur Härteprüfung an dünnwandigen oder oberflächengehärteten Werkstücken und Randzonen eingesetzt wird. Sie ist in der Norm nach DIN EN ISO 6507 geregelt. Im Gegensatz zur Rockwellprüfung wird eine gleichseitige Diamantpyramide mit einem Öffnungswinkel von 136° unter einer festgelegten Prüfkraft in das Werkstück eingedrückt. Aus der mittels eines Messmikroskops festgestellten Länge der Diagonalen des bleibenden Eindrucks wird die Eindruckoberfläche errechnet. Das Verhältnis von Prüfkraft in der Einheit Newton zur Eindruckoberfläche ergibt mit dem Faktor 0,1891 multipliziert die Vickershärte (HV). Die Festigkeitsklassen 14H, 22H, 33H und 45H erhält man durch Division durch 10, sie entsprechen also Vickershärten HV (min.) von 140, 220, 330 und 450.

Für Prüfungen vor Ort sind tragbare Geräte erhältlich, die magnetisch oder mechanisch auf dem Prüfstück befestigt werden.

Anwendung findet die Vickershärte beispielsweise in der Angabe „45H“ bei Gewindestiften mit Innensechskant oder „14H“ und „22H“ bei Gewindestiften mit Schlitz.

Härteprüfung nach Knoop

Eine Sonderform der Vickers-Härteprüfung ist die nach dem amerikanischen Physiker und Ingenieur Frederick Knoop benannte Härteprüfung (DIN EN ISO 4545 - Metallische Werkstoffe - Härteprüfung nach Knoop). Die in der Vickers-Prüfung gleichseitige Diamantspitze hat in der Knoop-Prüfung eine rhombische Form. Die Spitzenwinkel betragen 172,5° für die lange und 130° für die kurze Seite. Es wird nur die lange Diagonale des Eindrucks ausgemessen. Die Knoop-Prüfung findet häufig Anwendung bei spröden Materialien wie zum Beispiel Keramik oder Sinterwerkstoffen, bei der Härtemessung an Schichtsystemen stellt sie die genaueste Messmethode dar.

Härteprüfung nach Rockwell

Es existieren mehrere von dem amerikanischen Ingenieur und Firmengründer Stanley Rockwell im Jahre 1920 entwickelte Härteprüfverfahren, die für bestimmte Einsatzbereiche spezialisiert sind. Die unterschiedlichen Verfahren werden mit HR und einer anschließenden Kennung gekennzeichnet; Beispiele für eine Rockwellbezeichnung sind HRA, HRB, HRC oder HR15N.

Die Rockwellhärte eines Werkstoffes ergibt sich aus der Eindringtiefe eines kegelförmigen Prüfkörpers aus Diamant. Sie ist in der Norm DIN EN ISO 6508 festgelegt und wird mit HRC abgekürzt; das C steht dabei für das englische Wort cone für „Kegel“. Mit einer festgelegten Prüfkraft wird dieser Kegel, der einen Spitzenwinkel von 120° besitzt, in die Oberfläche des zu prüfenden Werkstückes vorbelastet. Die eingedrungene Tiefe des Eindringkörpers dient hierbei als Bezugsebene. Danach wird der Eindringkörper über einen Zeitraum von mindestens zwei Sekunden und maximal sechs Sekunden mit der Hauptlast belastet. Anschließend wird diese wieder entfernt, so dass nur noch die Vorlast wirksam ist. Die Differenz der Tiefen vor und nach Auflegen der Hauptlast ist das Maß für die Rockwellhärte des Werkstoffes. Die Eindringtiefe des Diamantkegels wird direkt mit einer Messuhr, die mit der Prüfspitze verbunden ist, festgestellt. Auf der Skala der Uhr kann man die Härtewerte in Rockwelleinheiten (HRC) unmittelbar ablesen. Dieses Prüfverfahren kommt vor allem bei sehr harten Werkstoffen zum Einsatz. Als weitere Rockwelleindringköper werden Hartmetallkugeln mit einem Durchmesser von 1,5875 Millimetern (HRB, HRF, HRG) oder 3,175 Millimetern (HRE, HRH und HRK) verwendet.

Versuchsablauf:

1.) Vorkraft aufgeben (bei HRA, HRB, HRC usw.: 10 kp; bei HRN und HRT: 3 kp)

2.) Messuhr nullen

3.) Hauptkraft zusätzlich aufgeben (z.B. HRB = 90 kp, HRC = 140 kp)

4.) Einwirkdauer hängt vom Kriechverhalten des Stoffes ab:

2 s - 3 s --> für Metalle ohne zeitabhängiges plastisches Verhalten
3 s - 6 s --> für Metalle mit zeitabhängigem plastischen Verhalten

5.) Hauptkraft aufheben

6.) Härtewert an der Messuhr ablesen

7.) Vorkraft aufheben

Die Rockwellprüfung ist sehr schnell, stellt aber hohe Ansprüche an die Einspannung des Prüflings im Prüfgerät. Sie ist ungeeignet für Prüflinge, die im Prüfgerät elastisch nachgeben, zum Beispiel Rohre.

Härteprüfung nach Shore

Die Shore-Härte, benannt nach Albert Shore, ist ein Werkstoffkennwert für Elastomere und Kunststoffe und ist in den Normen DIN 53505 und DIN 7868 festgelegt. Der Shore-Härte-Prüfer für Gummi und ähnliche Werkstoffe besteht aus einem federbelasteten Stift, dessen Elastizität beim Eindringen in die Probe ein Maß für die entsprechende Shore-Härte des Materials ist, die auf einer Skala von 0 Shore (2,5 Millimeter Eindringtiefe) bis 100 Shore (0 Millimeter Eindringtiefe) gemessen wird. Eine hohe Zahl bedeutet eine große Härte. Bei einem Shore-Härteprüfgerät ist eine Zusatzeinrichtung notwendig, die die zu messende Probe mit einer Kraft von 12,5 Newton bei Shore-A bzw 50 Newton bei Shore-D auf den Messtisch andrückt. Bei der Bestimmung der Shore-Härte spielt die Temperatur eine höhere Rolle als bei der Härtebestimmung metallischer Werkstoffe. Deshalb wird hier die Solltemperatur von 23 °C auf das Temperaturintervall von ± 2 K (Kelvin) beschränkt. Die Materialdicke sollte im Bereich von 0 bis 50 Shore mindestens 9 Millimeter, bei härteren Substanzen mindestens 6 Millimeter betragen.

  • Shore-A wird angegeben bei Weichelastomeren nach Messung mit einer Nadel mit abgestumpfter Spitze. Die Stirnfläche des Kegelstumpfs hat einen Durchmesser von 0,79 Millimetern, der Öffnungswinkel beträgt 35°.
  • Shore-D wird angegeben bei Zähelastomeren nach Messung mit einer Nadel, die mit einem 30° Winkel zuläuft und eine Kugelförmige Spitze mit einem Radius von 0,1 Millimetern hat.

Siehe auch: Kohäsion

Die Martens-Härte

Das Martens-Härteverfahren ist nach dem deutschen Physiker Adolf Martens benannt worden und wird auch instrumentierter Eindringversuch genannt. Im Jahre 2003 wurde die Universalhärte in Martenshärte umbenannt. Das Verfahren ist in der DIN EN ISO 14577 (Metallische Werkstoffe - Instrumentierte Eindringprüfung zur Bestimmung der Härte und anderer Werkstoffparameter) genormt.

Bei diesem Verfahren wird während der Belastungs- und Entlastungsphase kontinuierlich die Kraft und die Eindringtiefe gemessen. Die Martenshärte (HM) wird definiert als das Verhältnis der Maximalkraft zu der dazugehörigen Kontaktfläche und wird in der Einheit Newton pro Quadratmillimeter angegeben.

Anders als bei den Vickers- oder dem Brinellverfahren wird nicht nur das plastische Verhalten des Werkstoffes bestimmt, sondern es können aus der gewonnenen Messkurve auch weitere Werkstoffparameter wie zum Beispiel der Eindringmodul, das Eindringkriechen sowie plastische und elastische Verformungsarbeiten bestimmt werden.

Als Eindringkörper sind folgende Formen am gebräuchlichsten: die Vickerspyramide (siehe Vickersverfahren), eine Hartmetallkugel, ein kugeliger Diamant-Eindringkörper und der Berkovich-Eindringkörper. Der Berkovich-Eindringkörper ist eine Diamantpyramide mit einer gleichseitigen dreieckigen Grundfläche. Der Öffnungswinkel der Pyramide beträgt 65°.

Die Umrechnung der Eindringtiefe zur Kontaktoberfläche muss für jede Eindringkörperform bestimmt werden. Die Kontaktfläche wird für die Vickers- und Berkovich-Pyramide durch das Produkt aus dem Quadrat der Eindringtiefe und der Konstanten 26,43 errechnet.

Spezielle Härteprüfverfahren

Daneben sind einige spezielle Härteprüfverfahren üblich:

  • die Universalhärteprüfung ist im Jahre 2003 in Martenshärte umbenannt worden und in der Norm DIN EN ISO 14577 (Metallische Werkstoffe - Instrumentierte Eindringprüfung zur Bestimmung der Härte und anderer Werkstoffparameter) genormt
  • der Kugeleindruckversuch für Kunststoffe

Maßeinheiten

Die Mohssche Härte und die absolute Härte sind einheitenlose Größen. Die Härtewerte der Verfahren nach Vickers, Knoop und Brinell werden dagegen in Einheiten des Drucks angegeben; sie beziehen sich eigentlich auf die Einheit kp/mm². Mit Rücksicht auf Staaten, denen die Umstellung auf das Dezimalsystem und die Verwendung metrischer Einheiten wie N/mm² schwer fällt, behielt man nach der Streichung der Einheit Kilopond (kp) die Formeln für die Härtewerte in kp/mm², ließ jedoch fortan die Einheit weg, um weltweit vergleichbare Zahlenwerte zu erhalten.

Härten und Spanen

Die Härte von Stählen kann während der Fertigung beeinflusst werden - siehe auch Härten.

Oberhalb einer Härte von ungefähr 55 (Rockwellhärte HRC) entsprechend 600 (Vickershärte HV) enden in aller Regel die Möglichkeiten zur spanenden Bearbeitung mit geometrisch bestimmter Schneide von Oberflächen, also durch Drehen, Bohren oder Fräsen. Härtere Oberflächen müssen geschliffen werden, man spricht dabei von Spanen mit geometrisch unbestimmter Schneide. Durch Einsatz von CBN-Wendeschneidplatten (kubisches Bornitrid) ist auch die spanende Bearbeitung über 60 HRC möglich.

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