Härteprüfung

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Grundlagen der Härteprüfung

Der Anwender der Härteprüfung muss sich darüber im klaren sein, was er mit der Härteprüfung und dem erzielten Ergebnis eigentlich tun will. Hier besteht bei den Anwendern der Härteprüfung oftmals eine Vielzahl von diffusen Vorstellungen was die Härtezahl darstellt. Dies liegt auch daran, dass das Wissen um die Möglichkeiten und Grenzen der Härteprüfung auf der Anwenderseite nur sehr beschränkt vorhanden ist. Vor der Festlegung des Härteprüfverfahrens und von Härtewerten sollte klar sein,was mit dem festgelegten Härtewert erreicht werden soll!

Die Härteprüfung stellt den relativ sicheren Versuch dar, verschiedene Werkstoffzustände mittels einer Kennzahl zu beschreiben. Es gibt jedoch verschiedene Werkstoffzustände die den gleichen Härtewert aufweisen können. Dies kann in den unterschiedlichen Gefügestrukturen nach einer Wärmebehandlung begründet sein.


Was ist Härte?

Hart und weich sind eigentlich allgemeine Begriffe aus dem täglichen Leben. Jeder Mensch hat dabei seine eigenen Empfindungen und beurteilt den einen Gegenstand im Vergleich zu einem anderen als hart oder weich. Die griechischen Philosophen der Antike Demokrit und Aristoteles bezeichneten die Härte als eine definierte Eigenschaft der Elemente. In der Technik ist ein solcher individueller Empfindungswert zur Beurteilung eines Werkstoffes oder Bauteiles nicht ausreichend. Man hat den Härtebegriff wie folgt festgelegt:

Härte ist der Widerstand eines Körpers, den er dem Eindringen eines anderen, aber Härterem entgegensetzt.

Zweck der Härteprüfung ist es, vergleichbare Kennzahlen des Verformungs-Widerstandes der Oberfläche eines Werkstoffes zu ermitteln, die jedoch nicht die Bedeutung einer Werkstoffkennzahl haben. Obwohl die Härte eines Werkstoffes keine eindeutige Stoffeigenschaft ist, kann sie als Vergleichswert sehr vielseitig angewandt und ausgelegt werden. Die Härteprüfung stellt den relativ sicheren Versuch dar, verschiedene Werkstoffzustände mittels einer Kennzahl, die keine Werkstoffkennzahl ist, zu beschreiben. Jedoch auch diese Definition der Härte ist noch nicht eindeutig und lässt vieles offen und führt dazu, dass die Härte in der Metallprüfung verschieden interpretiert wird, dies hängt im Wesentlichen von der Betrachtungsweise und den Erwartungen des Anwenders ab. Es gibt verschiedene Werkstoffzustände die den gleichen Härtewert aufweisen können und eine unterschiedlichen Gefügestrukturen haben.

Beispiel 100CR6, 1.3505, gut erkennbar bei etwa gleicher Härte 2 unterschiedliche Gefüge. Quelle Lagerindustrie.

100Cr6.jpg

Historie

An der Entwicklung der Härteprüfung sind eine Vielzahl namhafter Persönlichkeiten beteiligt. Einer der wesentlichen Hintergründe dieser Entwicklung ist, damals wie heute, der Wunsch verschiedene Werkstoffzustände mittels einer Kennzahl reproduzierbar zu beschreiben. Im Laufe der Jahrhunderte entwickelte sich die Härteprüfung, die heute die mit Abstand am meistens eingesetzte Werkstoffprüfmethode ist.

An dieser Stelle eine Anmerkung von mir

Wie gut in der nachfolgenden Tabelle zu sehen ist ist Friedrich Mohs (1773-1839) nicht der Erfinder der Härteprüfung an Metallen, wie es immer wieder dargestellt wird. Mit seiner Klassifikation der Mineralien, die vor allem auf die physikalischen Eigenschaften (Form, Härte, Sprödigkeit, spezifisches Gewicht) seiner Objekte abhob hat er die Skala der Ritzhärteprüfung zur Klassifizierung von Mineralien entwickelt. Hierbei befand sich Mohs in Opposition zu den meisten seiner Kollegen, die das Hauptgewicht auf die chemische Zusammensetzung legten. Die Historie hat Mohs mit seiner Klassifizierung der Mineralien aber recht gegeben.

Nachfolgend ist in der Tabelle die Historie der Entwicklung der Härteprüfung an Metallen wiedergegeben.

Jahr Wer Verfahren - Besonderheit
1640 Babra Ritzen von Edelsteinen mit der Feile
1722 R.A. Reamur Ritzen von Stahl mit Mineralien
1747 Wallerius Benutzte Fingernagel, Messer, Feile, Diamantpulver zur Härtebestimmung
1811 Mohs 10 stufiges Ritzhärteverfahren für Mineralien
1833 Seebeck Entwickelt ein quasi-quantitatives Kratzverfahren zur Härtebestimmung
1851 Entwicklung der Bohrhärte von Metallen auf Grundlage des Gewichtsverlustes beim Bohren mit bekannten Zerspanbedingungen
1874 Uchatius Beurteilte die Härte von Bronzen mit einem aus 25cm Höhe herabfallenden Meißel (erstes beschriebenes dynamisches Verfahren)
1882 TH Prag Ritzhärte 18stufig,von Blei bis zu gehärtetem Stahl
1884 Beurteilen der Härte von Metallen mit der Schleifhärte
1889 A. Martens Ritzhärteverfahren
1898 A. Martens Schlug ein Gerät für den instrumentierten Eindringversuch mit mechanisch-hydraulischer Tiefenmessung vor
1900 Johann August Brinell Brinellhärteprüfverfahren, Kugeldruckversuch
1907 P. Ludwig

E. Meyer

Berichtet über ein sowohl statisch als auch dynamisch benutzte Kegelprobe.

Schuf das Rücksprungverfahren, erste Gedanken zur Härtetiefenmessung. Stellte das Potenzgesetz für den Kugeldruckversuch auf

1915 Albert Shore Erstes Rücksprungverfahren, eine auf das Werkstück fallende Kugel der mehr oder weniger abprallt. Die Härtemessung wird in Shore-Punkten ausgedrückt.
1920 Stanley P. +

Hugh M. Rockwell

Rockwellhärteprüfverfahren verschiedene, erstes Vorkraftverfahren, Patentanmeldung
1922 Smith + Sandland

Vickers Flugzeugwerke

Vickershärteprüfverfahren, ab 1925 mit Diamantpyramide, erstmals die Messung sehr harter Teile ohne Beeinflussung durch den Prüfkörper, ermöglicht die Mikrohärteprüfung, mit sehr kleinen Prüflasten
1926 USA Erste Härteprüfnorm für das Brinellhärteprüfverfahren
1937 Deutschland, Schweden Erste Herstellung von Härtevergleichsplatten
1939 F. Knoop, C.G. Peters, W.B.E. Emerson Entwicklung des Knoop Verfahrens am National Bureau of Standards (USA)
1940 Deutschland Erste DIN Norm über das Vickersverfahren
1943 K. Meyer Baut die erste Härte-Normalmesseinrichtung in Deutschland
? ? UCI-Verfahren (Ultrasonic Contact Impedance)
1946 Ernst Abgewandeltes Rockwellverfahren mit sehr kleiner Prüflast. Patentanmeldung
1975 Dietmar Leeb Die Härteprüfung nach Leeb wurde erstmals 1978 angewandt und misst die eingebrachte Energie über den Rückprall.

Einteilung der Härteprüfverfahren

Grundeinteilung Schreibweise Verfahren Norm DIN EN ISO Norm andere
Statische Verfahren HK+Prüflast

HB +Prüflast

HV +Prüflast

HR +Kurzzeichen

HM +Prüflast

Knoophärte

Brinellhärte

Vickershärte

Rockwellhärte

Martenshärte

DIN EN ISO 4545, Teil 1-3, Metallische Werkstoffe- Härteprüfung nach Knoop

DIN EN ISO 6506, Teil 1-3, Metallische Werkstoffe-Härteprüfung nach Brinell

DIN EN ISO 6507, Teil 1-3, Metallische Werkstoffe-Härteprüfung nach Vickers

DIN EN ISO 6508, Teil 1-3, Metallische Werkstoffe-Härteprüfung nach Rockwell

DIN EN ISO 14577, Teil 1-2, Metallische Werkstoffe - Instrumentierte Eindringprüfung zur Bestimmung der Härte und anderer Werkstoffparameter

ASTM E 92 + 384

ASTM E 10

ASTM E 92 + 384

ASTM E 18


Dynamische Verfahren Scleroscope n. Shore Richtlinien für die Prüfung der

Skleroskophärte metallischer Werkstoffe

ASTM E 448
Mobile statische

und

dynamische Verfahren

HL

HMM

HME

UCI

TIV

HB

HB

HB - HV - HRC

LEEB Härte

Härte Mobil Mechanisch

Härte Mobil Elektrisch

Ultrasonic Contact Impedance

Through Indenter Viewing

Poldihärte

Scherstifthärte

Härteprüfzwinge

DIN EN ISO 16859, Teil 1-3, Metallische Werkstoffe - Härteprüfung nach Leeb

DIN 50157, Teil 1-2, Metallische Werkstoffe - Härteprüfung mit tragbaren Härteprüfgeräten, die mit mechanischer Eindringtiefenmessung arbeiten

DIN 50158, Teil 1-2, Metallische Werkstoffe - Härteprüfung mit tragbaren Härteprüfgeräten, die mit elektrischer Eindringtiefenmessung arbeiten

DIN 50159, Teil 1-2, Metallische Werkstoffe - Härteprüfung nach dem UCI-Verfahren

Ungenormt, abgewandeltes Vickersverfahren

Ungenormt, abgewandeltes Brinellverfahren,

Ungenormt, abgewandeltes Brinellverfahren

Verschieden Verfahren möglich, als Brinell- Vickers- Rockwell Härte genormt

ASTM A 956



ASTM A 1038



ASTM E 110


Die klassischen Härteprüfverfahren

Genormte Härteprüfverfahren

Frühzeitig begann bereits die Standardisierung der Härteprüfung. 1900 stellte Johan August Brinell auf der Weltausstellung in Paris den genormten Kugeldruckversuch vor. Wohl kaum hat sich jemals ein Materialprüfungsverfahren in so kurzer Zeit so allgemein eingeführt und so viele Anhänger erworben. Die Erklärung hierfür ist in den hervorragenden Eigenschaften dieser Methode, insbesondere in ihrer Einfachheit und Brauchbarkeit für die industrielle Praxis zu finden. Angeregt durch ihre vielseitige Verwendbarkeit befaßten sich denn auch gar bald eine Reihe hervorragender Wissenschaftler und Praktiker mit den theoretischen Grundlagen und praktischen Anwendungsmöglichkeiten und Anwendungsgebieten der Brinellschen Kugeldruckprobe. Der große Verdienst von Brinell ist es neben der Erfindung das Verfahren systematisiert zu haben und die Einführung der Belastungsgrade, die eine proportionalen Anstieg der Prüflast im Verhältniss zum Kugeldurchmesser sicherstellten. Somit wurde erstmals eine reproduzierbare Härteprüfung gewährleistet und Prüfergebnisse verschiedener Prüflabore wurden vergleichbar. Jedoch kam die Brinellhärteprüfung schnell an Ihre Grenzen, sehr harte Teile lassen sich nicht Prüfen und auch kleine Teile und Beschichtungen sind mit der Brinellhärte nicht Prüfbar.

1920 haben die Brüder Stanley P. + Hugh M. Rockwell das Rockwellprüfverfahren Patentieren lassen. Hiermit war es erstmals möglich sehr harte Teile mittels eines Diamantkegels zu Prüfen. Dir Rockwellhärteprüfung ist aufgrund Ihrer einfachen und sicheren Handhabung, heute das am meisten genutzte Härteprüfverfahren. Aber auch hier gab es das Problem das keine Beschichtungen und keine sehr kleinen Teile geprüft werden konnten.

1922 wurde bei den Vickers Flugzeugwerken in England von den beiden Ingenieuren Smith + Sandland das bekannte Vickers Härteprüfverfahren entwickelt. Da im Flugzeugbau schon immer die Leichtbauweisen existierte und bereits sehr Früh mit kleine leichten Bauteilen und Beschichtungen gearbeitet wurde, ist es logisch das dieses Verfahren bei einem Flugzeugwerk entwickelt wurde. Die Härte Vickers ist eine Ableitung aus der Brinellhärte und daher mit dieser gut korrelierend.


Härteprüfung nach Knoop

DIN EN ISO 4545, Teil 1-3, Metallische Werkstoffe- Härteprüfung nach Knoop

Härteprüfung nach Brinell

DIN EN ISO 6506, Teil 1-3, Metallische Werkstoffe-Härteprüfung nach Brinell

Härteprüfung nach Vickers

DIN EN ISO 6507, Teil 1-3, Metallische Werkstoffe-Härteprüfung nach Vickers

Härteprüfung nach Rockwell

Genormt ist die Rockwellhärteprüfung in der DIN EN ISO 6508, Teil 1-3, Metallische Werkstoffe-Härteprüfung nach Rockwell und in der ASTM E18, Standard Test Methods for Rockwell Hardness of Metallic Materials.

Härteprüfung Martenshärte

DIN EN ISO 14577, Metallische Werkstoffe - Instrumentierte Eindringprüfung zur Bestimmung der Härte und anderer Werkstoffparameter

Die mobilen Härteprüfverfahren

In den letzten Jahren wurden auch portable Verfahren in eine Normung aufgenommen. Die neu erstellten Normen sind teilweise etwas schwammig und sollen einen ersten Schritt in eine detailliertere Normung für die Zukunft bringen. Ein großer Vorteil der aktuellen Normung ist, die festgelegte Schreibweise für die jetzt genormten Verfahren. Dies bedeutet das die Angabe von nach den folgenden Verfahren geprüften Härtewerten genau festgelegt wurde und keine andere Schreibweise mehr zulässig ist.

Genormte Härteprüfverfahren

Härteprüfung Brinell - Vickers - Rockwell

Details siehe hier bei den klassischen Verfahren, Brinell - Vickers - Rockwell

Die klassischen Härteprüfverfahren Brinell - Vickers - Rockwell, sind seit langer Zeit immer schon als mobile Geräte im Einsatz, bereits kurz nach der Entwicklung der Grundverfahren machten sich Erfinder daran diese Verfahren Mobil zu machen. Der Vorteil dieser Geräte ist, dass Sie die in den Normen für die stationären Geräte geforderten Prüfbedingungen einhalten. Wichtig ist jedoch zu Wissen, da die Geräte ständig wechselnde Einsatzorte haben, kann der im jeweiligen Teil 2 der Norm, HB+HV = Kap. 6, HRC = Kap. 7, Zeitabstände zwischen den Überprüfungen, geforderte Punkt nicht eingehalten werden. Es ist daher im Prüfbericht zu vermerken, dass die Härte mit einem mobilen Gerät geprüft wurde.

Geräte gibt es in unterschiedlichsten Ausführungen, die Liste der nachfolgenden Geräte erhebt keinen Anspruch auf Vollständigkeit.

Mobile Härteprüfgeräte nach Rockwell Mobile Härteprüfgeräte nach Rockwell Mobile Härteprüfgeräte nach Brinell Mobile Härteprüfgeräte nach Vickers Mobile Härteprüfgeräte nach Vickers
EMCO-Zahnflanke.jpg CPT-HRC.jpg KING-1.jpg AFFRI-WIKI30.jpg HMV10.jpg
Emcotest-logo.png N7P Zahnflankenhärteprüfer SunTec.jpg CPT Rockwell Prüfzwinge King.png King Brinelltester - USA AFFRI.png WIKI 30 HMO 10 - WPM Leipzig

Härteprüfung LEEB Verfahren

DIN EN ISO 16859, Teil 1-3, Metallische Werkstoffe - Härteprüfung nach Leeb

Dietmar Leeb hat in den frühen 70er Jahren die verschiedenen Lösungen der tragbaren Härteprüfung wie das Baumann-Steinrück, Schmidt und Shore Verfahren studiert. Die am meisten benützen Geräte waren die dynamischen Modelle, wo die Prüflast schlagartig aufgebracht wird. Die Frage stellte sich, wie kann man den üblichen Anwendungsbereich durch flexiblere Bedienung erweitern, ohne Prüfgenauigkeit zu verlieren, d.h. schnelles und bequemes Prüfen unabhängig vom Benützer und der Prüfrichtung. Das Resultat war die Erfindung und erfolgreiche Produktion des EQUOTIP im Jahr 1975 eines dynamischen Härteprüfverfahrens und dem gleichnamigen Prüfgerät. Diese Methode ist heute auch in Verbindung mit dem Erfindernamen bekannt als Härteprüfung bzw. Rückprall-Härteprüfung nach Leeb. Das EQUOTIP ist heute eines der am meisten benützten mobilen Härteprüfgeräte.

Prinzip

Die Leeb-Härte ist ein Verfahren der Rücksprunghärte, bei dem ein Schlagkörper, an dessen vorderem Ende sich ein Eindringkörper befindet, mit einer definierten Energie auf die Probe geschossen wird. Die funktionsweise wird nachfolgend beschrieben.

Formel

Die Leeb-Härte ist als folgendes Verhältnis definiert, der L-Wert, auch Leeb-Zahl oder Leeb-Härte (HL) genannt, ist einfach ausgedrückt gleich dem Verhältnis von der Rückprallgeschwindigkeit vr zur Aufprallgeschwindigkeit vi des Schlagkörpers, multipliziert mit 1000.

Schematisches Prüfprinzip

Dabei sind die Scheitelwerte des induzierten Spannungssignals – gemessen an einer bestimmten Stelle über der Prüfoberfläche – proportional zur Aufprall- bzw. Rückprallgeschwindigkeit.

Aufbau Schlaggerät Original Equotip von 1975,

gebaut von Proceqlogo.gif aus der Schweiz

Modernes LEEB Gerät von

Proceqlogo.gif aus der Schweiz

Leeb-3.jpg Leeb-2.jpg Leeb-1.jpg Leeb-4.jpg Equotip 550.jpg

Für die LEEB Geräte gibt es unterschiedliche Schlaggeräte die auf die Prüfaufgabe angepasst sind.

Härteprüfung HMM Verfahren

DIN 50157, Teil 1-2, Metallische Werkstoffe - Härteprüfung mit tragbaren Härteprüfgeräten, die mit mechanischer Eindringtiefenmessung arbeiten

Die Härteprüfung mit tragbaren Härteprüfgeräten, die mit mechanischer Eindringtiefenmessung arbeiten, ist ebenfalls schon sehr lange im Einsatz Ernst-Logo.jpg aus der Schweiz/Italien hat bereits vor über 60 Jahren diese Geräte erfolgreich eingeführt. Bei diesen Geräten handelte es sich um ein abgewandeltes Rockwellverfahren mit einer deutlich niedrigerer Prüflast und der Messung der Eindringtiefe unter der Prüflast. Die Prüflast wurde damals Online mit einer Flüssigkeitsanzeige an einer Skala abgelesen. Dieses Prinzip wird bis Heute unverändert nur mit einer Digitalanzeige gebaut.

Historisches HMM Härteprüfgerät von Ernst-Logo.jpg Modernes HMM Härteprüfgerät von Ernst-Logo.jpg Modernes HMM Härteprüfgerät von AFFRI.png
Computest.jpg

Modell "Computest SCX"

MKII.jpg

Modell "Metalltester MKII"

Härteprüfung HME Verfahren

DIN 50158, Teil 1-2, Metallische Werkstoffe - Härteprüfung mit tragbaren Härteprüfgeräten, die mit elektrischer Eindringtiefenmessung arbeiten

Härteprüfung UCI Verfahren

DIN 50159, Teil 1-2, Metallische Werkstoffe - Härteprüfung nach dem UCI-Verfahren

Ungenormte Härteprüfverfahren

TIV Härte

Poldihärte

Scherstifthärteprüfung

Bekannte Hersteller

In der Historie gab es in Deutschland einige renommierte Hersteller die leider alle nicht mehr existieren. Dies Waren unter anderem

Otto Wolpert Werke Karl Frank WPM Werkstoffprüfmaschinen Leipzig Reicherter
Wolpert.jpg Frank.jpg WPM.jpg