Mikrohärteprüfung

Die Mikrohärteprüfung dient zur Bestimmung der Härte von Werkstoffen in sehr kleinen Bereichen unter Verwendung geringer Prüfkräfte. Sie kommt insbesondere dann zum Einsatz, wenn äußerst präzise Messungen bei kleinen Eindringtiefen erforderlich sind, etwa bei feinen Strukturen oder empfindlichen Oberflächen. Dadurch ermöglicht sie genaue Aussagen über lokale Materialeigenschaften sowie die Qualität eines Werkstoffs.

Besonders geeignet ist die Mikrohärteprüfung zur Analyse der Oberflächenhärte, beispielsweise im Zusammenhang mit Wärmebehandlungen wie Härten, Anlassen oder Plattieren. Darüber hinaus wird sie zur Bestimmung der Einhärtetiefe bei randschichtgehärteten Bauteilen eingesetzt. Hierbei werden im Querschliff mehrere Härteeindrücke vom Rand zur Mitte hin gesetzt, um den Verlauf der Härte über die Tiefe zu ermitteln. Auch für die Untersuchung von dünnen Schichten und Beschichtungen ist die Mikrohärteprüfung von großer Bedeutung, da diese mit konventionellen Verfahren oft nur schwer messbar sind. Zusätzlich kann sie zur Analyse von verschlissenen Bauteilen herangezogen werden, indem die lokale Härte gemessen wird, um Rückschlüsse auf Verschleißmechanismen und die Verschleißfestigkeit zu ziehen.

Bei der Mikrohärteprüfung nach Vickers wird eine vierseitige Pyramide als Prüfkörper mit kleinen Kräften und geringen Eindringtiefen in das zu prüfende Bauteil eingedrückt. Aufgrund der geringen Prüfkräfte ist die Größe des bleibenden Eindrucks in der Regel zu klein, um ihn mit ausreichender Genauigkeit lichtoptisch zu bestimmen. Daher wird die Mikrohärte nach Vickers aus der während der Prüfung aufgezeichneten Kraft-Weg-Kurve berechnet. Dieser Vorgang wird als instrumentierte Eindringprüfung bezeichnet. Die Einheit der ermittelten Härte ist kp/mm² und wird als Vickershärte (HV) bezeichnet. Bei Härteangaben ist es wichtig, die Prüfkraft anzugeben, mit der die Härte ermittelt wurde, da eine Abhängigkeit zwischen Härtewert und Prüfkraft besteht. So wird die Härte einer Härteprüfung mit einer Prüfkraft von 9,81 N beispielsweise mit HV1 angegeben, also 350 HV1.

• Instrumentierte Eindringprüfung: ISO 14577-1:2015
• Instrumentierte Eindringprüfung Kunststoffe: ISO TS 19278
• Glaskeramik: ISO 9385:1990
• Sinterwerkstoffe: ISO 4498:2010
• Einsatzhärtungstiefe CHD (Eht): DIN EN ISO 18203:2022
• Randschichthärtetiefe SHD (Rht): DIN EN ISO 18203:2022
• Nitrierhärtetiefe NHD (Nht): DIN EN ISO 18203:2022
• Härteprüfung Schweißverbindungen: ISO 9015-1:2001, ISO 9015-2:2016, ISO 22826:2005

Wird die Härte von Beschichtungen von der Oberfläche aus bestimmt, dann muss die minimale Eindringtiefe des Prüfkörpers größer als die Rauheit sein und gleichzeitig deutlich kleiner als die Schichtdicke. Nach ISO 14577-4 soll die Eindringtiefe mindestens das 20fache von arithmetischen Rauheit Ra bzw. das 2-3 fache der maximalen Höhe des Rauheitsprofils Rz betragen. Bei der maximalen Eindringtiefe unterscheidet man:

• für harte Beschichtung auf weichem Substrat nach ISO 14577-1: Eindringtiefe h < 1/10 der Schichtdicke d (Bückle-Regel)
• für weiche Beschichtung auf hartem Substrat: Eindringtiefe h < 1/3 der Schichtdicke d

Die Bestimmung der Einhärtetiefe – auch Randschichthärtetiefe genannt – mittels Mikrohärteprüfung dient der Feststellung, bis zu welcher Tiefe ein Werkstoff durch eine Wärmebehandlung gehärtet wurde. Hierzu wird im Querschliff eine Reihe von Härteeindrücken vom Rand zur Mitte der Probe mit kleinen Prüfkräften erzeugt. Aus diesen Eindrücken werden anschließend die Einhärtetiefe (CHD bzw. Eht), die Randschichthärtetiefe (SHD bzw. Rht) und die Nitrierhärtetiefe (NHD bzw. Nht) ermittelt.

Bei der Härteverlaufsmessung, auch Härteverlaufsprüfung genannt, wird der Härte-Tiefen-Verlauf eines Materials bestimmt. Hierzu werden eine Reihe von Härteeindrücken am polierten Querschliff vom Probenrand in Richtung Probenmitte gesetzt. Dies erfolgt mittels Mikrohärteprüfung oder Nanoindentierung mit kleinen Prüfkräften. Aus dem so ermittelten Härte-Tiefen-Verlauf kann anschließend die Grenzhärte bestimmt werden. Je nach Wärmebehandlungsverfahren wird diese als Einsatzhärtetiefe (Eht), Nitrierhärtetiefe (Nht) oder Randschichthärtetiefe (Rht) bezeichnet. Mit der Härteverlaufsmessung können auch Schweißnähte geprüft werden.

Zur Bestimmung der Härteverteilung über eine definierte Fläche wird ein Mapping durchgeführt. Dabei werden die Prüfpunkte matrixförmig über die zu untersuchende Fläche verteilt. Durch diese dichte Rasterung lassen sich detaillierte Aussagen über die Homogenität der Werkstoffeigenschaften treffen. Anhand der ermittelten Härteverteilung können nicht nur lokale Schwankungen erkannt, sondern auch Rückschlüsse auf Gefügeinhomogenitäten, beispielsweise auf Seigerungen durch Perlit in Stählen, gezogen werden. Ebenso lassen sich andere Mikrostrukturbesonderheiten wie Karbid- oder Nitrideinschlüsse, Korngrenzeneffekte oder lokale Verfestigungen identifizieren.

Dieses Verfahren eignet sich für metallische Werkstoffe ebenso wie für Keramiken, Polymere und Verbundwerkstoffe, da es eine präzise Erfassung und Darstellung der Härteverteilung in verschiedenen Materialsystemen ermöglicht.

In unserem Steinbeis-Transferzentrum führen wir die Mikrohärteprüfung auch bei erhöhten Temperaturen bis zu einer Probentemperatur von 350 °C durch. Dadurch ist eine detaillierte Untersuchung des Härteverhaltens unterschiedlichster Werkstoffe unter thermischer Belastung möglich. Neben Polymeren bzw. Kunststoffen, bei denen unter anderem die Glasübergangstemperatur bestimmt werden kann – also die Temperatur, bei der diese Werkstoffe vom flüssigen oder gummielastischen in den glasigen oder hartelastischen Zustand übergehen –, können auch Metalle untersucht werden.

So lassen sich beispielsweise Veränderungen der Härte infolge von Rekristallisation, Phasenumwandlungen oder thermischer Erweichung analysieren. Dies liefert wertvolle Informationen über das Verhalten metallischer Werkstoffe bei erhöhten Einsatztemperaturen und unterstützt ihre Optimierung hinsichtlich der thermischen Beständigkeit und Lebensdauer in realen Anwendungen.