Härteprüfung
Die Härteprüfung dient zur Bestimmung des Widerstandes, den ein Werkstoff dem Eindringen eines härteren Körpers (Prüfkörper) entgegensetzt. Die Härte ist eine wichtige Kenngröße, um die mechanischen Eigenschaften eines Materials zu bewerten, insbesondere in Bezug auf seine Verschleißfestigkeit, Schneidfähigkeit, Verarbeitbarkeit und Widerstandsfähigkeit gegenüber mechanischen Belastungen. Es gibt verschiedene Härteprüfverfahren, darunter die Härteprüfung nach Rockwell, Brinell und Vickers sowie die Mikrohärteprüfung und die Nanoindentation als instrumentierte Eindringprüfung mit sehr geringen Prüfkräften.
Als Steinbeis-Transferzentrum prüfen wir die Härte mittels normkonformer Härteprüfverfahren als Dienstleistung.
Wozu dient die Härteprüfung?
- Materialprüfung: Härte gibt Hinweise auf die allgemeine Festigkeit und Zähigkeit eines Materials.
- Qualitätskontrolle: Überprüfung der Materialhärte während oder nach der Produktion, um die gewünschte Materialeigenschaft sicherzustellen.
- Vergleich von Materialien: Verschiedene Materialien können anhand ihrer Härtewerte direkt miteinander verglichen werden.
- Erkennung von Wärmebehandlungszuständen: Die Härte gibt Aufschluss darüber, ob ein Material ordnungsgemäß gehärtet, vergütet oder angelassen wurde.
- Verschleißprognose: Härtere Materialien sind oft widerstandsfähiger gegen Verschleiß und Kratzer.
- Prüfung auf Oberflächenbehandlung: Nach Beschichtungen oder Härtungsprozessen kann die Härteprüfung bestätigen, ob die Oberfläche die gewünschten Eigenschaften aufweist.
Härteprüfverfahren
Grundsätzlich unterscheidet man bei den Härteprüfverfahren in Verfahren mit statischer und dynamischer Aufbringung der Prüfkraft.
- Bei den statischen Härteprüfverfahren wird die Prüfkraft quasistatisch mit geringem Gradienten über die in den entsprechenden Normen festgelegte Zeit aufgebracht.
- Bei den dynamischen Härteprüfverfahren wird die Prüfkraft schlagartig aufgebracht, wodurch eine Stoßbelastung entsteht. Diese Härteprüfverfahren werden in mobilen Härteprüfgeräten angewendet.
Bei der Härteprüfung wird ein Prüfkörper in den Werkstoff eingedrückt und die Härte als Widerstand gegen das Eindringen dessen bestimmt. Für die Härteprüfung an festen Werkstoffen werden überwiegend Verfahren mit statisch aufgebrachter Prüfkraft eingesetzt. Zur Bestimmung der Härte wird entweder
- die Abdruckgröße (optische Messverfahren),
- die Eindringtiefe des Prüfkörpers (Tiefen-Messverfahren) oder
- der Kraft-Weg-Verlauf während der Prüfung (instrumentierte Eindringprüfung).
Dienstleistungen
Makro-
härteprüfung
Mikro-
härteprüfung
Dünne Bleche
Kleine Bauteile
Nano-
indentation
Materialcharakterisierung
Gefügebestandteile
Härteprüfung
Kunststoffe
Duroplaste
Elastomere
Gerne erstellen wir Ihnen ein Angebot für eine Härteprüfung.
Vickers, Brinell, Knoop
Die Härteprüfungen nach Vickers, Brinell und Knoop gehören zu den optischen Messverfahren. Bei diesen Härteprüfungen wird die Größe des bleibenden Eindrucks des Prüfkörpers im Werkstück lichtoptisch gemessen. Die Härteprüfung nach Vickers ist ein weit verbreitetes Prüfverfahren, da es für die Prüfung aller festen Stoffe geeignet ist. Die Vickershärte (HV) wird durch optische Messung der Diagonalen des bleibenden Härteeindrucks bestimmt, der nach Belastung der Probe mit einer Prüfkraft durch einen pyramidenförmigen Diamanten entsteht. Der Prüfbereich von HV0,2 bis HV5 wird häufig auch als Kleinlasthärteprüfung und der Bereich unterhalb von HV0,2 als Mikrohärteprüfung bezeichnet.
Die Härteprüfung nach Brinell wird für weiche bis mittelharte Proben aus Werkstoffen mit einer groben oder inhomogenen Kornstruktur verwendet.
Die Knoop-Härteprüfung ist ein Härteprüfverfahren, das als Alternative zum Vickers Verfahren zur Prüfung von dünnen Schichten bzw. spröden Materialien entwickelt wurde. Bei diesem dient eine asymmetrische vierseitige Pyramide als Prüfkörper.
Rockwell, Super-Rockwell
Zu den Tiefenmessverfahren gehört die Härteprüfung nach Rockwell. Es handelt sich um ein schnelles Prüfverfahren, das in erster Linie für metallische Werkstoffe entwickelt wurde. Dabei wird zunächst eine geringe Prüfkraft aufgebracht, dann die Hauptkraft und nach einer bestimmten Zeit wird diese wieder auf die Vorkraft zurückgenommen. Am häufigsten wird das Verfahren nach Skala C angewendet, bei dem als Prüfkörper ein Diamantkegel (C=Cone) verwendet wird. Die nach diesem Verfahren ermittelte Härte wird mit dem Zusatz HRC versehen. Für mittelharte Stähle wird die Skala B (B=Kugel) mit einer Hartmetallkugel (W) als Prüfkörper verwendet. Die aus dieser Härteprüfung ermittelte Härte erhält den Zusatz HRBW. Das Super-Rockwell-Verfahren eignet sich besonders für die Härteprüfung an dünnen Bauteilen und Schichten oder an Proben, deren Härtewert außerhalb der normalen Rockwell-Skala liegt. Das Super-Rockwell-Verfahren ist in den USA weiter verbreitet als in Europa.
Mikrohärteprüfung
Die Mikrohärteprüfung ermöglicht eine genaue und detaillierte Bestimmung der Mikrohärte in kleinen Bereichen und von Beschichtungen. Im Gegensatz zur makroskopischen Härteprüfung (Vickers, Brinell, Knoop, Rockwell), bei der größere Lasten auf größere Proben aufgebracht werden, werden bei der Mikrohärteprüfung kleinere Lasten und kleinere Eindringkörper verwendet. Dieses Verfahren wird eingesetzt, wenn sehr genaue Härteprüfungen an feinen Strukturen sowie an Beschichtungen erforderlich sind. Aufgrund der geringen Größe des bleibenden Eindrucks durch die kleinen Prüfkräfte wird die Härte aus der während der Prüfung aufgezeichneten Kraft-Weg-Kurve berechnet.
Einhärtetiefe, Härteverlauf
Zur Bestimmung der Einhärtetiefe von randschichtgehärteten Bauteilen wird eine Härteverlaufsmessung zur Ermittlung des Härtetiefenverlaufs durchgeführt. Diese erfolgt mit kleinen Prüfkräften mittels Mikrohärteprüfung oder Nanoindentation. Dabei wird im Querschliff eine Reihe von Härteeindrücken vom Rand zur Probenmitte hin erzeugt und daraus die Grenzhärte (GH) bestimmt. Der Abstand von der Oberfläche bis zur jeweiligen Grenzhärte (GH) wird als Einhärtetiefe definiert. Ähnlich wird bei der Bestimmung der Härteverteilung an Schweißnähten verfahren. Lichtbogenschweißverbindungen werden nach ISO 9015 und Laser- und Elektronenstrahlschweißverbindungen nach ISO 22826:2005 geprüft.
Nanoindentation
Die Nanoindentation dient der präzisen Charakterisierung der mechanischen Eigenschaften von Werkstoffen mittels Eindringprüfung. Haupteinsatzgebiet ist die Bestimmung von Härte, Elastizitätsmodul und anderen mechanischen Eigenschaften an mikroskopisch kleinen Bereichen und dünnen Schichten. Aufgrund der geringen Kräfte und der geringen Eindringtiefe des Prüfkörpers zählt diese Art der Werkstoffprüfung zu den quasi-zerstörungsfreien Prüfverfahren. Bei der Nanoindentation werden die Kennwerte aus der während der Prüfung aufgenommenen Kraft-Weg-Kurve ermittelt, weshalb man von einer instrumentierten Eindringprüfung spricht. So können Härte, Elastizitätsmodul, Dehngrenze (Streckgrenze) und Verformbarkeit bzw. Plastizität eines Werkstoffes bestimmt werden.
Härteprüfung Kunststoffe
Bei der Härteprüfung von Kunststoffen wird der Widerstand eines Kunststoffs gegen das Eindringen eines härteren Körpers gemessen. Die Härteprüfung von Kunststoffen ist ein wesentlicher Bestandteil der Qualitätskontrolle und der Werkstoffentwicklung zur Bestimmung der mechanischen Eigenschaften von Werkstoffen. Die Wahl der Methode hängt von den Eigenschaften des Kunststoffs ab, d. h. weiche Kunststoffe, harte Kunststoffe und dünne Materialien oder Fertigteile.
Härteprüfung Shore
Die Härteprüfung nach dem Amerikaner Albert L. Shore dient hauptsächlich zur Bestimmung der Härte von elastomeren und plastischen Materialien. Das Shore Härteprüfverfahren nach ISO 48-4:2018 und ASTM D2240 ist ein genormtes Verfahren. Bei diesem Härteprüfverfahren wird der jeweilige Prüfkörper (gehärteter Stahlstift (Kegelstumpf, Kegelspitze) oder gehärtete Stahlkugel) mit einer definierten Federkraft in den zu prüfenden Werkstoff gedrückt und anschließend die resultierende Eindringtiefe gemessen. Je geringer die Eindringtiefe des Prüfkörpers ist, desto höher ist die Härte, d. h. die Shore-Härteprüfung ist ein Tiefenmessverfahren.
Härteprüfung an Bauteilen
Welches Härteprüfverfahren?
Die Wahl des Härteprüfverfahrens wird durch die Art und Homogenität des Werkstoffs, das Gefüge, die Probengröße und den Werkstoffzustand bestimmt. Bei allen Härteprüfungen muss die Probe für das gesamte Gefüge repräsentativ sein. Eine Ausnahme besteht, wenn z. B. die Härte verschiedener Gefügebestandteile bestimmt werden soll. Aus diesem Grund sollte bei einem heterogenen Gefüge ein größerer Eindruck gemacht werden als bei einem homogenen Werkstoff. Für jede Härteprüfung gibt es eigene Normen, die genaue Angaben über das Verfahren und den genauen Ablauf enthalten.
Vickers Härteprüfung
- Homogene Werkstoffe mit niedriger bis hoher Härte.
- Kleine bis große Werkstücke
- Ermittlung von Einhärtetiefen
- Härteverlaufsmessungen
- Härteverteilung über Schweißnähte
Brinell Härteprüfung
- Weiche Metalle (Aluminiumlegierungen, Kupferlegierungen, Blei, Zinn) bis hin zu mittelharten Metallen (vergütete Stähle)
- Werkstoffe mit grober oder inhomogener Kornstruktur
Rockwell Härteprüfung
- Bauteile mittlerer bis hoher Härte
- Bauteile aus Kunststoff (Thermoplaste, weiche Verbundmaterialien)
Knoop Härteprüfung
- Spröde Materialien
- Beschichtungen
Mobile Härteprüfung
- Große oder schwere Werkstücke
- Vor-Ort-Härteprüfungen
Instrumentierte Eindringprüfung
- Dünne und sehr dünne Beschichtungen
- Kleine Bauteile
- Bestimmung Einhärtetiefen
- Härteverlaufsmessungen
Shore Härteprüfung
- Shore A: Thermoplastische Elastomere (TPE), Nitrilkautschuk (NBR), Polyurethan (PU), Niederdichtes Polyethylen (LDPE), Silikonkautschuk, Neopren
- Shore D: Polycarbonat (PC), Polypropylen (PP), Polyamid (PA), Polyvinylchlorid (PVC), Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS), Polymethylmethacrylat (PMMA), Hochdichtes Polyethylen (HDPE)
- Shore OO: Weiche Schäume, sehr weiche elastomere Materialien, gelartige Materialien
Wie wird Härte definiert?
Die Härte ist der mechanische Widerstand eines Werkstoffes gegen das mechanische Eindringen eines anderen härteren Körpers. Die Härte kann sich durch Wärme verändern, das heißt die Härte eines Werkstückes nimmt nach einer Wärmebehandlung einen anderen Wert an. Die Härte gehört nicht zu den Grundeigenschaften eines Werkstoffs. Deswegen muss der quantitativ ermittelte Wert immer in Bezug zum Härteprüfverfahren mit den folgenden Parametern gesetzt werden:
- Prüfkraft
- Last-Zeit-Profil
- Lasteinwirkdauer
- Prüfkörper
Warum eine Härteprüfung?
Die Härteprüfung wird gemacht zum Bestimmen des Widerstands, den ein Werkstoff der dauerhaften Verformung durch Eindringen eines härteren Eindringkörpers entgegensetzt. bestimmt werden. Damit lässt sich entscheiden ob ein bestimmter Werkstoff oder eine bestimmte Werkstoffbehandlung für den beabsichtigten Einsatzzweck geeignet ist.
Was wird bei der Härteprüfung gemessen?
Bei der Härteprüfung wird ein Prüfkörper in den Werkstoff eingedrückt und die Härte als Eindringwiderstand bestimmt. Diese Bestimmung erfolgt durch:
- Messen der Größe des vom Prüfkörper hinterlassenen Eindrucks (optische Messverfahren)
- Messen der Eindringtiefe des Prüfkörpers (Tiefen-Messverfahren)
- Auswertung der Kraft-Weg-Kurve (instrumentierte Eindringprüfung)
Die instrumentierte Eindringprüfung (Martens Härteprüfung) ist dadurch gekennzeichnet, dass nicht nur die Härte mit hoher hohe Genauigkeit bestimmt wird sondern auch aus der Kraft-Weg-Kurve weitere Werkstoffkennwerte bestimmt werden können.