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Fachbereich Maschinenbau
Prof. Dr.-Ing. Schubert Prof. Dr.-Ing. Reinert Dipl.-Ing. Egberts, Herr Dyck
Vorlesungsbegleitendes Laborpraktikum zu WSTG
Unterlagen für den Laborversuch
Härteprüfung
Teil 1: Einige Praxisaspekte
- Definition der Härteprüfung
- Verfahren nach Brinell
2.1 Durchführung der Härteprüfung nach Brinell
- Verfahren der Härteprüfung nach Vickers
3.1 Durchführung der Härteprüfung nach Vickers
- Härteprüfung nach Rockwell
- Gegenüberstellung der wichtigsten Härteprüfverfahren
- Schlaghärteprüfung
Teil 2: Hinweise zum Praktikumsablauf
Die Ausarbeitung dient zur praxisnahen Ergänzung eines Vorlesungsmanuskriptes oder werkstoffkundlicher Grundlagen-Bücher. Sie soll und kann die Bearbeitung der zutreffenden Kapitel in o.g. Werken nicht ersetzen.
Zur Vorbereitung des Labortermins wird deshalb empfohlen, sowohl diese Unterlage als auch eines der o.g. Werke zu diesem Thema durchzuarbeiten.
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1. Definition der Härteprüfung
Die Härte eines Körpers, hier als Widerstand eines Gefüges gegen das Eindringen eines anderen, härteren Körpers, ist keine physikalische Größe, sondern abhängig vom Bau des Gitters, von der Wärmebehandlung, der Kaltverformung und der Art der Bindungskräfte. Härtewerte erlauben also Rückschlüsse auf das Gefüge. Im Nachfolgenden sollen nur die in der Werkstofftechnik gebräuchlichen Verfahren beschrieben werden. Die Ritzhärte nach Mohs wird nur in der Mineralogie angewandt, und wird nur zu Vergleichszwecken herangezogen.
2. Verfahren nach Brinell
h
F D
Probe
Kugel
Kugeldurchmesser D in mm; Stahl S oder Hartmetall W
Prüfkraft F in N
mittlerer Eindruckdurchmesser d in mm d = (d +d )/
Eindrucktiefe h in mm h = (D- D²-d²)/
Eindruckfläche A = * h * D in mm²
Brinellhärte HBS = const. * F/A HB = 0,102 F / A
1 2
Prinzip der Härteprüfung nach Brinell (DIN EN ISO 6506-1)
wp-all03.cdr
d
Bei der Härteprüfung nach Brinell dringt eine Kugel aus mit dem Durchmesser D in die Oberfläche einer Probe ein. Nach Wegnahme der Prüfkraft verbleibt in der Oberfläche der Probe ein runder Eindruck mit dem Durchmesser d. Aus dem Durchmesser d wird die Eindrucktiefe und hieraus wiederum die Fläche des Eindrucks berechnet. Der Quotient aus Prüfkraft und Eindruckfläche, multipliziert mit einem Faktor, ist die gesuchte Härte.
Die Brinellhärte, sie wurde um 1900 durch den Schweden J.A.Brinell entwickelt, wird durch folgende Symbole angegeben: HBW
(Anm.: In früheren Normen wurde konnte auch ein EIndringkörper aus gehärtetem Stahl verwendet werden; bei der Verwendung der Stahlkugel wurde die Brinellhärte durch das Symbol HBS oder in noch älteren Normen nur mit HB gekennzeichnet.)
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Der Beanspruchungsgrad bei der Härteprüfung ist entsprechend dem Werkstoff und der Härte zu wählen.
Werkstoff Brinellhärte Beanspruchungs- grad (0,102 F/D²) Stahl, Nickel- und 30 Titanlegierungen Gußeisen (1) < 140 10
140 30 Kupfer und < 35 5 Kupferlegierungen 35 bis 200 10 < 200 30 Leichtmetalle und < 35 2, ihre Legierungen 35 bis 80 5 80 10 Blei und Zinn 1 Sintermetalle siehe DIN EN 24498-
(1) Für die Prüfung von Gußeisen muß der Nenndurchmesser der Kugel 2,5 oder 5 oder 10 mm betragen.
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2.1 Durchführung der Härteprüfung nach Brinell
Die Prüffläche muß glatt und eben sein, frei von Oxiden und Fremdstoffen sowie insbesondere frei von Schmierstoffen sein. Die Dicke der Probe muß so sein, daß nach der Prüfung auf der Unterseite keine Verformung sichtbar ist. Dies ist i.A. sichergestellt, wenn die Dicke mind. das 8-fache (10-fache) der Eindrucktiefe h beträgt. Die Prüftemperatur liegt zwischen10°C und 35°C (Prüfung unter „kontrollierten Bedingungen“ Temperatur 23°C ± 5°C).
Die Prüflast ist so zu wählen, daß der Eindruckdurchmesser d zwischen den Werten 0,24 D < d < 0,6 D liegt. Diese Bedingung wird i.A. dann eingehalten, wenn der Belastungsgrad in Abhängigkeit vom zu prüfenden Werkstoff und seiner Härte entsprechend der Tabelle gewählt wird. Es ist immer die Kugel mit dem größtmöglichen Durchmesser anzuwenden.
Der Eindringkörper muß frei von Fremdstoffen oder Beschädigungen sein. Die Prüfkraft wird rechtwinklig zur Prüffläche stoß- und schwingungsfrei aufgebracht und gesteigert, bis der festgelegte Wert erreicht ist. Die Zeitspanne vom Beginn der Lastaufbringung bis zum Erreichen der gesamten Prüflast muß zwischen 2 und 8 s liegen ( Empfehlung 5-8 s). Die Prüfkraft ist 10 bis 15 s konstant zu halten. Für Werkstoffe mit niedrigem Schmelzpunkt und der Neigung zum Nachfließen können andere Belastungsdauern vereinbart werden. Der Abstand zwischen der Mitte des Eindrucks und dem Probenrand muß zwischen dem 2,5- fachen (Stahl, Kupfer) und 3-fachen (Alu, Pb, Zn) des mtl. Eindruckdurchmessers liegen. Die Eindrücke müssen den 4 bis 6-fachen Durchmesser voneinander entfernt liegen.
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3.1 Durchführung der Härteprüfung nach Vickers
Für die Härteprüfung nach Vickers wird in der Regel das gleiche Universal-Härteprüfgerät verwendet, das auch für die Härteprüfung nach Brinell Anwendung findet. Es wird lediglich eine andere Belastungseinheit verwendet, hier eine Diamantpyramide mit einem Kegelwinkel von 136°.
Die Vickershärte ist proportional dem Quotienten aus der Prüfkraft F und der Oberfläche des Eindrucks, der als gerade Pyramide mit quadratischer Grundfläche und gleichen Winkeln wie der Eindrinkörper angenommen wird.
Die eindeutige Angabe der Vickershärte setzt sich zusammen aus dem gemessenen Härtewert und den Prüfbedingung. Der Härtewert steht vor den Prüfbedingungen. Die Prüfbedingungen setzen sich zusammen aus den Kennbuchstaben HV, einer Zahl, die die Prüfkraft kennzeichnet und nach einem Schrägstrich der Einwirkdauer der Prüfkraft, falls diese von der festgelegten Zeitspanne 10 bis 15 s abweicht. Beispiele: 640 HV 30: (Härtewert 640, Prüfkraft 294,2 N, Einwirkdauer 10 bis 15 s) 545 HV 1/20: (Härtewert 545, Prüfkraft 9,807 N, Einwirkdauer 20 s).
Der Eindringkörper muß frei von Fremdstoffen oder Beschädigungen sein. Die Prüfkraft wird rechtwinklig zur Prüffläche stoß- und schwingungsfrei aufgebracht und gesteigert, bis der festgelegte Wert erreicht ist. Die Zeitspanne vom Beginn der Lastaufbringung bis zum Erreichen der gesamten Prüflast muß zwischen 2 und 8 s liegen, im Kleinlastbereich dürfen 10 s nicht überschritten werden. Die Prüfkraft ist 10 bis 15 s konstant zu halten. Für Werkstoffe mit niedrigem Schmelzpunkt und der Neigung zum Nachfließen können andere Belastungsdauern vereinbart werden. Die zulässige Zeitabweichung darf ± 2 s betragen.
Die Prüftemperatur liegt im Regelfall zwischen 10°C und 35 °C, Wenn „kontrollierte Bedingungen“ vorliegen beträgt die Prüftemperatur 23 ± 5 °C.
Die Längen der beiden Diagonalen werden gemessen. Für die Bestimmung der Vickershärte wird das arithmetische Mittel aus diesen beiden Messungen genommen. Die Härtewerte werden nach der Formel HV=0,102F/A=0,1891F/d² berechnet.
Der Abstand zwischen der Mitte des Eindrucks und dem Probenrand muß zwischen dem 2,5- fachen (Stahl, Kupfer) und 3-fachen (Alu, Pb, Zn) des mtl. Eindruckdurchmessers liegen. Die Eindrücke müssen den 4 bis 6-fachen Durchmesser voneinander entfernt liegen.
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4 Härteprüfung nach Rockwell (DIN EN ISO 6508-1)
Die Härteprüfung nach Rockwell arbeitet mit verschiedenen Eindringörpern, einem Diamantkegel (Kegelwinkel 120°) und Kugeln aus gehärtetem Stahl (Durchmesser 1,5875 mm (1/16“) oder 3,175 mm (1/8“)). Das Meßprinzip der Härtemessung nach Rockwell unterscheidet sich deutlich von den vorgenannten Verfahren, weshalb der Meßvorgang anhand eines Beispiels erläutert werden soll (siehe Diagramm auf der nachfolgenden Seite).
Mit Hilfe einer Zustelleinrichtung wird die Probe gegen den Eindrinkörper gefahren, so daß die Prüfvorkraft F 0 (siehe Tabelle) erreicht ist. Nachdem die Anzeige der Tiefenmeßeinrichtung auf Null eingestellt wurde, wird in 5 bis 8 s die Prüflast F1 „möglichst“ stoß- und vibrationsfrei aufgebracht. Es wirkt jetzt die Gesamtkraft F auf die Probe. Die Gesamtkraft wird für eine bestimmte Zeitdauer, die von dem Probenmaterial abhängt, aufrechterhalten.
Prüfkräfte für Verfahren Begriff Rockwell C Rockwell A Rockwell B Rockwell F N N N N Prüfvorkraft Fo 98,07± 1,96 98,07± 1,96 98,07± 1,96 98,07± 1, Prüfkraft F 1 1375 490,3 882,6 490, Gesamtprüfkraft F (^1471) ± 14,7 588,4 ±5,88 980,7± 9,81 588,4 ±5,
Prüfkräfte der Rockwell-Verfahren
Für Proben, die kein zeitabhängiges plastisches Fließen zeigen, beträgt die Prüfdauer nach Aufbringung der Gesamtprüfkraft bis zu 2 s, bei Material mit einem zeitabhängigen plastischen Fließen 5 bis 8 s, in Extremfällen können auch 15 s vereinbart werden.
Unter der Gesamtlast dringt der Prüfkörper in die Probe ein. Nach der vorgeschriebenen Belastungsdauer wird die Prüfkraft F 1 entfernt und nur noch die Prüfvorlast auf der Probe belassen. Der Verformungsvorgang läßt sich in den einzelnen Stufen auf einer Meßuhr, auf der die Eindringtiefe anzeigt wird, verfolgen. Im Diagramm der folgenden Seite dringt der Prüfkörper unter der Gesamtprüflast F bis zum Skalenwert „60“ ein. Nach Rücknahme der Prüflast federt die Probe im Bereich der Verformung zurück und der Zeiger bleibt bei dem Wert „70“ stehen. Diese Skalenwerte sind über eine Umrechnungstabelle mit den Eindringtiefen des Prüfkörpers verknüpft.
Die Ermittlung der Härtewerte ist im unteres Teil des Diagramms erläutert.
Die Härteprüfung nach Rockwell unterscheiden sich in den Meßbereichen. Rockwell C (Diamantkegel) 20-70 HCR gehärteter Stahl, gehärtete und angelassene Legierungen Rockwell A (Diamantkegel) 60-88 HRA sehr harte Werkstoffe z.B. Hart- metalle Rockwell B (Stahlkugel ∅1,5875 mm) 35-100 HRB Werkstoffe mittlerer Härte, Stahl, Messinge, Bronzen Rockwell F (Stahlkugel ∅1,5875 mm) 60-115 HRF Feinbleche, weiches Messing, weiches Kupfer
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DIN EN ISO 18265
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5 Gegenüberstellung der wichtigsten Härteprüfverfahren
Verfahren Brinell Vickers Rockwell C Rockwell A
Eindring- körper
geh. Stahlkugel Hartmetallkugel
Diamantpyramide quadratisch, 136°
Diamantkegel 120°
geh. Stahlkugel ø 1,5875 mm Meßgröße Flächenpressung Flächenpressung Eindringtiefe Eindringtiefe
Kennzeichen Wert HBS(W)D/F/t Wert HV F/t Wert HRC Wert HRB
Einheit - - - -
Anwendungs- grenze
HBS < 300 HBW < 600 Bereich beliebig 20 < HRC < 70 35 < HRB < 100
Meßunsicher- heit
HB < 200 : 1% HB > 200 : 2-6%
HV < 200: 2% HV ≤ 400 : 1% HV > 400 : 1,5%
HRC<50: 2HRC HRC>50: 1,5HRC
Vorteile Summenhärteprüfung für heterogene Gefüge, Zusammenhang zwischen HB und Rm näherungsweise Rm=c⋅HB unleg. Stahl : c=3, bis Rm=1400 MPa; c=4,0 bis Rm= MPa; Grauguß: C=1; Cu,Ms,Al-Bz,Sn-Bz (kaltverformt):C=4,5; geglüht. c=5,5; Al+Al- Leg.:c=3,7; Al-Guß: c=2,6; Al-Mg- Leg.: c=4,3; Lagerweißmetall:c=2,
Härte lastunabhängig; geometrisch ähnlicher Eindruck; für hohe Härten; für dünne Schichten, galvanische Niederschläge, oberflächengehärtete Teile, für dünnste Querschnitte. durchlaufende Härteskala Eindruckgröße an Meßobjekt anpaßbar keine Verformung der Pyramide
schnelle Härteermittlung; für automatische Serienprüfung direkte Ablesung der Härtewerte, daher einfach kleine Meßzeiten relativ genau für Vergleichszwecke bei gleichartiger Oberflächengüte
HRC auch für Werk- stoffe hoher Härte
praktisch unwesentliche Beschädigung des Prüflings
Nachteile lastabhängiger Eindruck, nicht geometrisch ähnlich, Belastungsgrad beachten; Kugelabplattungen bei großen Härten; empfindlich gegen unterschiedlichen Oberflächenzustand; relativ zeitaufwendig
nicht geradlinig begrenzte Eindrücker erfordern Korrekturen, relativ großer Zeitaufwand; Ausmessung kompliziert, vor allem bei Kleinlasthärteprüfung : teurer, empfindlicher Eindringkörper
hohe Anforderungen an die Auflagerfläche des Prüfobjekts; empfindlich gegen die Form des Prüfobjekts; empfindlich gegen seitliche Verschiebung; Beschädigung der Kegelspitze schlecht feststellbar. willkürlich festgelegte Härtewerte; Veränderungen der Eindruckform bleiben unberücksichtigt
Anwendung alle Werkstoffe bis 300 HBS bis 600 HBW
alle Werkstoffe mit homogenem Gefügeaufbau
harte Werkstoffe weiche Werkstoffe
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Hinweise zum Praktiumsablauf
Aufgabenstellung:
Bei verschiedenen Werkstoffen sollen die drei Härtprüfverfahren angewendet werden. Das Prüfverfahren soll vorher ausgewählt werden.
- Die vorgegebenen Werkstoffe sind durch ankreuzen in der Tabelle den Prüfverfahren zuzuordnen.
Werkstoff Kupfer Kupfer Geglüht
Baustahl St 37
C 45 C 45
gehärtet
AlMgSi0, 5
GGG-
Brinell HB 2,5/62, Vickers HV 1 Rockwell HRC
- Bei den verschiedenen Werkstoffen ist die Härteprüfung durchzuführen und die Zugfestigkeit mit der DIN 50150 zu ermitteln.
Mess-und Auswertungsprotokoll für die Härteprüfung
Einstellung des Prüfgerätes bei der Härteprüfung nach Brinell
Zahlenwert Einheit Kugeldurchmesser Prüfkraft Belastungsgrad Einwirkdauer
Aufnehmen der Härtewerte
Werkstoff: Werkstoff: Messung Messung 1 2 3 1 2 3 1.Eindruckdurchmesser 2.Eindruckdurchmesser Einzelhärtewerte Mittelwert Norm Kurzbezeichnung
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Einstellung des Prüfgerätes bei der Härteprüfung nach Vickers
Zahlenwert Einheit Öffnungswinkel des Prüfkörpers Prüfkraft Auftreffgeschwindigkeit Einwirkdauer
Aufnehmen der Härtewerte
Werkstoff: Werkstoff: Messung Messung 1 2 3 1 2 3 1.Diagonale d 1 2.Diagonale d 2 Einzelhärtewerte Mittelwert Norm Kurzbezeichnung
Einstellung des Prüfgerätes bei der Härteprüfung nach Rockwell C
Zahlenwert Einheit Prüfkörper bei Rockwell C Prüfvorkraft F 0 Prüfkraft F 1 Prüfgesamtkraft F Einwirkdauer
Aufnehmen der Härtewerte
Werkstoff: Werkstoff: Messung Messung 1 2 3 1 2 3 Einzelhärtewerte Mittelwert Norm Kurzbezeichnung
Bemerkung:
1 HRC entspricht 0,002mm Eindringtiefe des Kegels
