Festigkeit und Härte

Wichtige Kenngrößen für die Verwendung metallischer Werkstoffe sind deren mechanische Eigenschaften unter statischer Beanspruchung bei Raumtemperatur (RT). Hierbei hervorzuheben sind Festigkeit und Härte. Im vorliegenden Praktikumsversuch sollen diese beiden Begriffe und die zugehörigen Prüfmethoden kennengelernt werden.

1 Festigkeit Unter Festigkeit versteht man den Widerstand eines Materials gegen Verformung und Trennung. Es existieren unterschiedliche Prüfverfahren, um die Festigkeit von Werkstoffen zu messen. Dabei hängt es vom konkreten Anwendungsfall ab, welches Prüfverfahren jeweils sinnvoll ist. Geprüft werden kann in einer Zug-, Druck-, Torsions-, Scher- oder Biegebelastung. Metalle werden am häufigsten im Zugversuch getestet.

1.1 Der Zugversuch Beim Zugversuch handelt es sich um ein in der DIN EN ISO 6892-1 genormtes Prüfverfahren. Er dient zur Ermittlung des Werkstoffverhaltens bei einachsiger, gleichmäßig über den Werkstoff verteilter Zugbeanspruchung. Dazu wird eine Zugprobe gleichmäßig und stoßfrei gedehnt, bis der Bruch eintritt. Abbildung 1 zeigt schematisch den Aufbau einer Zugprüfmaschine.

Abbildung 1: Schemazeichnung einer Zugprüfmaschine.

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1.1.1 Versuchsdurchführung Vor dem Versuch ist die Querschnittsfläche A0 und die parallele anfängliche Probenlänge (Messlänge) L zu bestimmen. Anschließend wird die Probe in die Keilspannköpfe eingespannt und mit konstanter Querhauptgeschwindigkeit bis zum Bruch gedehnt. Eine Zeichnung der hier verwendeten Probengeometrie ist in Abbildung 2 dargestellt.

Abbildung 2: Technische Zeichnung der Flachzugprobe Form H nach DIN 50125.

Während des Versuchs werden die Kraft F und die Verlängerung ΔL der Probe kontinuierlich gemessen. Dabei wird ein sogenanntes Kraft-Verlängerungs-Diagramm aufgezeichnet. Um verschiedene Kraft-Verlängerungsdiagramme untereinander vergleichen zu können, muss die Kraft F in eine Spannung σ und die Verlängerung ΔL der Probe in eine Dehnung ε umgerechnet werden.

Da sich beide Größen auf den Anfangsquerschnitt bzw. die Anfangslänge der Probe beziehen, spricht man von der technischen Spannung bzw. der technischen Dehnung.

1.1.2 Spannungs-Dehnungs-Diagramm Abbildung 3 zeigt ein typisches Spannungs-Dehnungs-Diagramm eines Metalls und die Werkstoffkennwerte, die sich aus diesem Versuch ermitteln lassen. Im ersten Stadium des Zugversuchs verformt sich die Probe zunächst rein elastisch (d.h. die Verformung ist reversibel). Die Spannung steigt dabei linear an und es gilt das Hookesche Gesetz:

·

Die Größe E entspricht der Steigung der elastischen Geraden und wird Elastizitätsmodul (Young’s Modulus) genannt. Übersteigt die Dehnung einen bestimmten Wert, so beginnt das Material sich plastisch (bleibend) zu verformen, wobei sich die Dehnung gleichmäßig über die gesamt Messlänge der Probe verteilt. Die Probe wird dabei immer länger und dünner,

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wobei das Gesamtvolumen der Probe gleich bleibt. Da das Ende der elastischen Geraden nicht immer genau festzustellen ist, definiert man den Beginn der plastischen Verformung durch den Schnittpunkt der Spannungs-Dehnungs-Kurve mit einer Parallelen zur Hookeschen Geraden, die die Dehnungsachse bei einem bestimmten Wert, z.B. bei 0,2% schneidet. Den so ermittelten Schnittpunkt nennt man die 0,2%-Dehngrenze (Rp0,2).

Abbildung 3: Typisches Spannungs-Dehnungs-Diagramm für Metall und wichtige Kennwerte:

Rp0,2 ist die 0,2%-Dehngrenze, Rm die Zugfestigkeit, Ag die Gleichmaßdehnung und A die Bruchdehnung.

Mit zunehmender Verformung erreicht die Spannungs-Dehnungs-Kurve schließlich einen Maximalwert, der Zugfestigkeit (Rm) genannt wird. Ab diesem Punkt verläuft die Formänderung nicht mehr gleichmäßig über die Länge der Probe verteilt, sondern lokalisiert an der zufällig schwächsten Stelle. Die Steigung der Kurve zwischen der Dehngrenze und der Zugfestigkeit ist ein Maß für die Kaltverfestigung des Werkstoffs.

2 Härte Unter dem Begriff „Härte“ versteht man den Widerstand, den ein Körper dem Eindringen eines anderen Körpers entgegensetzt. Dementsprechend wird bei den gebräuchlichsten Härteprüfverfahren ein harter Prüfkörper senkrecht zur Oberfläche der Probe eingedrückt. Als Maß des Widerstandes gilt die bleibende Verformung, die nach der Beanspruchung des Werkstücks durch den Eindringkörper durch Messung der Eindruckfläche oder Eindrucktiefe bestimmt wird. Die ermittelte Kennzahl ist

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vom Prüfverfahren abhängig, so dass bei der Angabe eines Härtewertes immer das verwendete Prüfverfahren mit zu nennen ist.

2.1 Härtemessverfahren Die Prüfverfahren unterscheiden sich durch die Form (Kugel, Pyramide, Kegel,…) und den Werkstoff des Eindringkörpers (Stahl, Hartmetall, Diamant). Die Beanspruchung kann wie im Rahmen dieses Versuchs statisch oder auch dynamisch (Schlaghärte) erfolgen. Den Aufbau eines Härteprüfgerätes zeigt Abb. 4.

Abbildung 4: Schematischer Aufbau eines Härteprüfgerätes.

2.1.1 Härteprüfung nach Brinell (DIN EN ISO 6506-1) Dieses Härteprüfverfahren findet hauptsächlich bei weichen bis mittelharten metallischen Werkstoffen Verwendung. Eine Hartmetallkugel mit dem Durchmesser D wird mit der Prüfkraft F 10 bis 15 Sekunden lang senkrecht in die Oberfläche der Probe eingedrückt. Nach dem Entlasten wird der Durchmesser d des Eindrucks ausgemessen. Der Härtewert berechnet sich dann mit folgender Formel:

0,102 · 0,102 ·· 2

· ·

Hierbei ist A die Oberfläche des Härteeindrucks. Kugeldurchmesser und Belastung sind gemäß DIN-Norm vereinbart. Die Brinellhärte ist lastabhängig, d.h. die Prüfung mit unterschiedlicher Last führt bei gleichem Kugeldurchmesser an ein und derselben Probe zu unterschiedlichen Ergebnissen. Gleiche Härtewerte ergeben sich nur, wenn der Quotient aus Last und Quadrat des Kugeldurchmessers konstant ist.

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Normgerechte Angabe der Brinellhärte Der Härtewert steht (ohne Einheit) vor dem Kurzzeichen HBW. Danach steht der Durchmesser der Kugel und durch einen Schrägstrich getrennt die Prüfkraft F in N mit 0,102 multipliziert. Beispiele: 132 HBW 5/750 (Ø = 5 mm, F = 750/0,102 N = 7355 N) 165 HBW 10/1000 (Ø = 10 mm, F = 1000/0,102 N = 9807 N)

2.1.2 Härteprüfung nach Vickers (DIN EN ISO 6507-1 ) Die Härteprüfung nach Vickers verläuft ähnlich wie die Bestimmung der Brinellhärte. Als Eindringkörper dient eine regelmäßige, vierseitige Diamantpyramide mit einem Spitzenwinkel von 136° zwischen den gegenüberliegenden Flächen. Die Last wird auf die glatte, ebene und metallisch blanke Probe stoßfrei innerhalb von ca. 15 s aufgebracht und soll für weitere 10 s bis 15 s wirken. Anschließend erfolgt die Messung der Eindruckdiagonalen. Siehe hierzu Abb. 5. Die Formel zur Berechnung der Härte lautet:

0,102 · 0,102 ·· 2 · 136°

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Hierbei ist F die Prüfkraft in N, A die Eindruckoberfläche in mm² und d der Mittelwert der Eindruckdiagonalen in mm.

Abbildung 5: Prüfprinzip der Vickershärteprüfung.

Vorteile gegenüber der Härteprüfung nach Brinell

• Prüfung sehr harter Werkstoffe ist möglich • Auch sehr kleine Eindrücke sind scharf abgegrenzt, daher ist auch die Last über einen

weiten Bereich variierbar • Die Vickershärte ist unabhängig von der Prüfkraft (nur für F > 50 N) • Mit der Vickershärte-Prüfung lassen sich auch sehr kleine Proben, dünne Folien oder

Schichten messen.

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Normgerechte Angabe der Vickershärte Der Härtewert steht (ohne Einheit) vor dem Kurzzeichen HV. Danach steht der mit 0,102 multiplizierte Wert der Prüfkraft F in N und falls die Einwirkzeit der Last von der Regel abweicht, wird diese durch einen Schrägstrich getrennt ebenfalls angegeben. Beispiele: 480 HV 0,1 (F = 0,1/0,102 N = 0,981 N) 220 HV 10/60 (F = 10/0,102 N = 98,1 N, Belastungsdauer: 60s)

2.1.3 Härteprüfung nach Rockwell (DIN EN ISO 6508-1 ) Bei der Härteprüfung nach Rockwell wird im Gegensatz zu den oben beschriebenen Verfahren nicht die Fläche sondern die Tiefe des Eindrucks gemessen. Als Eindringkörper stehen Kugeln mit verschiedenen Durchmessern (HRB von „ball“ = Kugel) oder ein Diamantkegel mit einem Spitzenwinkel von 120° (HRC von „cone“ = Kegel) zur Auswahl. Zunächst wird eine Prüfvorkraft aufgebracht und das Ziffernblatt der Messuhr auf „Null“ gestellt. Beim Aufbringen der zusätzlichen Prüfkraft lässt sich das Eindringen des Diamanten an der Bewegung des Zeigers verfolgen. Da die Messuhr nun die Verformung der Maschine mit anzeigt, muss vor dem Ablesen der Eindringtiefe e bzw. der Härte die Prüfkraft wieder abgenommen werden. Die Rockwell-Härte ist dimensionslos. Sie kann theoretisch Werte von 0 bis 100 annehmen. HRC 0 würde bedeuten, dass die Eindringtiefe e = 0,2 mm ist; HRC 100, dass e = 0 mm ist.

Vor- und Nachteile der Härteprüfung nach Rockwell + relativ raue Oberflächen prüfbar + Werkstoffe mit dünnen Beschichtungen messbar + automatisierbar − Messbereich: Für das Verfahren zulässige Härtewerte müssen 20 < HRC <70 sein.

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3 Aufgabenstellung Führen sie an verschiedenen Werkstoffen Zugversuche durch. Vermessen sie jeweils vor Versuchsbeginn die Breite und Dicke der Probe. Bei einem Versuch wird ein Feindehnungsaufnehmer verwendet. Ergibt sich dadurch ein Unterschied in den Ergebnissen? Wenn ja, diskutieren sie diesen Unterschied!

Weiterhin wird die Härte verschiedener Metalle mit unterschiedlichen Verfahren bestimmt. Vergleichen sie die Ergebnisse untereinander. Welche Härteprüfverfahren eignen sich für welche Werkstoffe?

Besteht ein Zusammenhang zwischen den Ergebnissen der Zugversuche und den Härtemessungen?

4 Fragen zur Vorbereitung Neben dem Inhalt dieses Skriptes sind noch weitere Fragen vorzubereiten: • Was passiert im Werkstoff bei plastischer Verformung? • Welche Mechanismen zur Festigkeits- und Härtesteigerung in metallischen Werkstoffen

gibt es? • Wie sieht ein Spannungs-Dehnungs-Diagramm für einen weichgeglühten, vergüteten und

gehärteten Stahl aus? • Warum fällt der Verlauf der technischen Spannung nach Erreichen der Zugfestigkeit ab? • Was sind Cottrell-Wolken und Lüdersbänder? Was bewirken diese? • Berechnen sie mit Hilfe der DIN EN ISO 6892-1 (zu finden in der NWII-Bibliothek) die

maximal zulässige Traversengeschwindigkeit beim Zugversuch für die Probengeometrie aus Abb. 2.