Härteprüfung

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!

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 unterschiedlichen Gefügestrukturen haben, nachfolgende Beispiele.

Beispiele

100CR6 +Q, 1.3505 +Q, gut erkennbar bei etwa gleicher Härte 2 unterschiedliche Gefüge.

34CRMo4 +QT, 1.7220 +QT , gut erkennbar bei etwa gleicher Härte 2 unterschiedliche Gefüge.

Beispiel 100Cr6, gehärtet i.O.	Beschreibung	Beispiel 100Cr6, gehärtet n.i.O.	Beschreibung
	60-61 HRC Karbide im angelassenen, strukturlosen Martensit Restaustenitgehalt <15 % unterhalb der Nachweisgrenze Härtegefüge i.O.		60 HRC Nadeliger Martensit, Karbide aufgelöst Restaustenitgehalt ca.25 –30% Härtegefüge n.i.O.
Beispiel Vergütungsgefüge n.i.O.	mech. Eigenschaften+Gefüge	Beispiel Vergütungsgefüge i.O.	mech. Eigenschaften+Gefüge
	228 – 266 HB Rm 770 – 900 MPa Feinstlamellarer Perlit mit Ferrit		238 – 276 HB Rm 800 – 930 MPa Hoch angelassener Martensit, Vergütungsgefüge

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 von 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. Schon ca. 100Jahre vor Mohs hat z.B. Reamur die Härte von Eisen bestimmt.

Die nachfolgende Tabelle gibt auszugsweise, die Historische Entwicklung der Härteprüfung an wieder.

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	Adolf Karl Gottfried Martens	Ritzhärteverfahren
1898	Adolf Karl Gottfried Martens	Schlug ein Gerät für den instrumentierten Eindringversuch mit mechanisch-hydraulischer Tiefenmessung vor
1900	Johann August Brinell	Brinellhärteprüfverfahren, Kugeldruckversuch. Brinell hat nicht nur das nach Ihm bennante Härteprüfverfahren entwickelt, sondern galt zu seiner Zeit (Geb.1849-Gest. 1925) als einer der hervorragender Kenner der Stahlherstellung. Unter den Fachleuten der Eisen- und Stahlindustrie nimmt Brinell eine der hervorragendsten Stellungen ein
1908	P. Ludwig, Prof.	Berichtet über ein sowohl statisch als auch dynamisch benutzte Kegelprobe, erste Gedanken zur Härteprüfung mittels einer Tiefenmessung.
1908	E. Meyer, Prof.	Meyer Härteprüfung, stellte das Potenzgesetz für den Kugeldruckversuch auf
1914	Stanley P. + Hugh M. Rockwell	Rockwellhärteprüfverfahren verschiedene, erstes Vorkraftverfahren mit Tiefenmessung, Patenteinreichung 15. Juli 1914, U.S. Patent 1,294,171
1915	Albert Shore	Erstes Rücksprungverfahren, eine auf das Werkstück fallende Kugel der mehr oder weniger abprallt. Die Härtemessung wird in Shore-Punkten ausgedrückt.
1921	Vickers Flugzeugwerke Robert L. Smith und George E. Sandland	Vickershärteprüfverfahren, 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
1961?	C. Kleesattel	UCI-Verfahren (Ultrasonic Contact Impedance), 1961 Patentanmeldung
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

Die Härteprüfverfahren lassen sich Grundsätzlich in die statischen und dynamische Prüfverfahren einteilen. Die meisten dynamischen Verfahren werden bei mobilen Prüfgeräten eingesetzt, die statischen Verfahren sind eher die klassischen Verfahren wie Brinell-Rockwell-Vickers. In der nachfolgende Tabelle sind die wichtigsten Prüfverfahren zusammengefasst.

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	Shore Härte	Richtlinien für die Prüfung der Skleroskophärte metallischer Werkstoffe	ASTM E 448
Mobile statische und dynamische Verfahren	HL HMM+ Verfahren in das Umgewertet wurde HME+ Verfahren in das Umgewertet wurde UCI+ Verfahren in das Umgewertet wurde 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 DIN EN ISO 6506 - 6507 -6508, verschieden Verfahren möglich, als Brinell- Vickers- Rockwell Härte	ASTM A 956 ASTM A 1038 ASTM E 110

Klassische 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 derart 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. Die 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. Zu den Klassischen Härteprüfverfahren

Mobile 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. Zu den mobilen Härteprüfverfahren

Umwertung von Härtewerten

Umwertung von Härtewerten genormt in der DIN ISO 18265 Metallische Werkstoffe - Umwertung von Härtewerten. Die Umwertung von Härtewerten wird bereits seit Brinell durchgeführt, bereits Brinell hatte festgestellt das zwischen der HB Härte und der Zugfestigkeit eine positive Korrelation besteht. Jedoch muß auch beachtet werden das Härteprüfung und Zugversuch zwei Grundsätzlich verschiedene Versuche mit vollkommen verschiedenen Beanspruchungsarten sind. Auch wird bei der Umwertung aus Härte in Zugfestigkeit bei unterschiedlichen Gefügestrukturen die z.B. andere Dehngrenzen und Dehnungen bewirken nicht erkannt werden das hier nicht der gewünschte Werkstoffzustand vorhanden ist,(Kapitel-Was ist Härte?). Zur Umwertung von Härtewerten

Bekannte Hersteller

In der Historie gab es im deutschsprachigem Raum viele Hersteller von Härteprüfmaschinen, von denen einige nicht mehr existieren. Nachfolgend eine Liste von existenten und nicht mehr existenten Herstellern von Härteprüfmaschinen.

emcotest Kuchl - Austria	Otto Wolpert Werke - Ludwigshafen	KB Prüftechnik GmbH	Karl Frank - Weinheim	WPM Werkstoffprüfmaschinen - Leipzig	Reicherter - Esslingen	AFFRI INDUNO OLONA (VA) ITALY	ERNST Härteprüfer SA
	nicht mehr existent		nicht mehr existent		nicht mehr existent

Einzelnachweise

<references>