Laborskript für WP-3 WS 13/14

Härteprüfung

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Härteprüfung

1) Allgemeine Grundlagen:

Definition:

„Die Härte einer Werkstoffoberfläche ist das Maß für den Widerstand der einem eindringenden

Körper entgegengesetzt wird.“

Die Härte ist keine physikalische Größe, sondern eine Kennzahl. Sie ist abhängig vom Bau des

Gitters, von der Wärmebehandlung, der Kaltverformung und der Art der Bindungskräfte. So ist es

möglich durch Härteprüfungen Rückschlüsse auf den Festigkeitszustand zu ziehen. Da das

Eindringverhalten von der Gestalt und der Eigenhärte des anderen Körpers sowie von der Art und

Größe der Belastung abhängig ist, muss bei der zahlenmäßigen Angabe von Härtewerten immer

das Härteprüfverfahren genannt werden.

Die Härte kann nach folgenden grundsätzlichen Möglichkeiten ermittelt werden:

• Ritzen der Oberfläche

• Eindringen eines Prüfkörpers unter statischer Belastung

• Eindringen eines Prüfkörpers unter dynamischer Belastung

Technische Bedeutung im Maschinenbau haben nur die Verfahren mit statischer Belastung. Die

Härteprüfung liefert schnelle und bedingt zerstörungsfreie Werte für die statische Festigkeit und

für das Verschleißverhalten der Werkstoffe.

2) Anwendungen:

Zu den wichtigsten Aufgaben der Werkstoffprüfungen zählen, die Sicherung der Qualität, die

Untersuchung von Schäden und die Ermittlung von Werkstoffeigenschaften. In der industriellen

Fertigung werden Härteprüfungen häufig zur Kontrolle der Gleichmäßigkeit von

Wärmebehandlungen eingesetzt.

3) Messprinzip:

Bei den statischen Verfahren wird die Prüfkraft stoß frei aufgebracht und wirkt auf die Probe eine

vorbestimmte Zeit ruhend ein.

Nach dem Entlasten wird der Härtewert ermittelt, dies beruht auf zwei Verfahren:

1) Die Fläche des Prüfkörpers wird gemessen und daraus die Härte berechnet

2) Die Eindringtiefe wird gemessen und in die entsprechende Härte umgerechnet.

Wichtig: Die Härtewerte werden als Zahlenwerte ohne Einheit angegeben. Unbedingt muss bei

den Härtewerten das Prüfverfahren angeben werden.

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Härteprüfung

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Die Härteprüfungen werden an glatten und ebenen Oberflächen, die frei von Zunder,

Fremdkörpern und Schmierstoffen sein müssen, vorgenommen. Die Oberflächenvorbereitung

muss gewährleisten, dass Veränderungen an der Oberfläche, z.B. durch Erwärmen oder

Kaltverformung auf ein Minimum beschränkt bleiben.

Fehler bei der Härtemessung:

• Stoffbedingte Fehler:

Die Ursache liegt im Prüfobjekt während des Eindringvorgangs. Werden durch eine

unregelmäßige Struktur, Oberflächenbeschaffenheit, sowie das Fließ- und

Verfestigungsverhaltens während des Eindringens hervorgerufen.

Der Prüfer hat keinen Einfluss.

• Gerätebedingte Fehler:

ungenaue Prüfkraft Aufbringung, Mängel an der Auswerteeinrichtung oder

Formabweichung des Eindringkörpers.

Regelmäßige Überprüfung/ Kalibrieren verhindert den Fehler

• Versuchsbedingter Fehler:

nicht Beachtung der Vorschrift, falsche Wahl des Prüfverfahrens oder dessen

Durchführung.

Ausschließlich hat der Prüfer Einfluss. Schulungen verringern den Fehler

• Ablese,-Beobachtungs-, und Auswertefehler:

Messschieber falsch abgelesen oder nicht richtig angelegt, Parallaxefehler beim ablesen

Nachlässigkeit des Prüfers. Menschliches Sehvermögen

4) Versuchsdurchführung:

Die Probe muss auf einer starren Aufnahmevorrichtung liegen. Die Flächen müssen sauber und

frei von Fremdkörpern sein. Es ist wichtig, dass die Probe fest auf der Aufnahmevorrichtung liegt,

damit sie sich während des Prüfvorganges nicht verschieben kann.

Der Eindringkörper ist auf die Prüffläche aufzusetzen und die Prüfkraft stoß- und

erschütterungsfrei senkrecht zur Oberfläche aufzubringen, bis die aufgebrachte Kraft den

vorgegebenen Wert erreicht hat.

5) Aufgabenstellung:

Führen Sie drei verschiedene Härteprüfverfahren (Brinell, Vickers und Rockwell - C) an 5

Stahlproben (S235) mit unterschiedlichen Wärmebehandlungen durch.

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Formel und Benennung: Formelzeichen: Einheit:

Durchmesser der Kugel D mm

Prüfkraft F N

Mittlerer Durchmesser des Eindrucks

� =�� − ��

2

d mm

Durchmesser des Eindrucks, gemessen um 90° d1 , d2 mm

Eindruckfläche

� = � ∗ ℎ ∗ �

A mm2

Eindrucktiefe

ℎ =(� − �� − ��)

2

h mm

Brinell-Härte

��� = ��������� ∗��ü������

����� !��"ä!ℎ�

Konstante: Umrechnungsfaktor von N in kp

≈ 0,102

HBW -

Beanspruchungsgrad

= 0,102 ∗'��

())�

Tabelle 1: Formeln und Bezeichnungen

Die Brinell-Härte wird durch das Kurzzeichen HBW angegeben. Früher wurde das Kreuzzeichen HB

oder HBS verwendet.

Vor dem Symbol HBW wird der Härtewert angegeben. Hinter diesem Wert werden die

Prüfbedingungen in folgender Reihenfolge vermerkt:

1) Kugeldurchmesser in mm

2) Eine Zahl, die die Prüfkraft angibt (Tab. 2)

3) Einwirkdauer der Prüfkraft in s.

Die Einwirkdauer wird nur dann angegeben, wenn sie von der vorgebebenen Zeit abweicht.

z.B.: 600 HBW 1/30/20

Brinell-Härte 600 / Kugelduchmesser 1mm / Prüfkraft 294,2 N / Einwirkzeit 20s

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Aufgabe:

Zeigen Sie vor Beginn des Versuches die Formel zur Berechnung der Brinell-Härte.

Es werden 5 Stahlproben mit unterschiedlicher Wärmebehandlung gemessen. Die Proben wurden

zwischen 100 - 500°C wärmebehandelt.

Überlegen Sie, welche Auswirkungen die verschiedenen Temperaruten auf die Härte haben

könnten.

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Auszug aus DIN EN ISO 6507

„Der Abstand des Mittelpunktes jedes Prüfeindruckes vom Rand der Probe muss für Werkstoffe

wie Stahl, Kupfer und Kupferlegierungen mindestens das Zweieinhalbfache der mittleren

Diagonallänge und für Werkstoffe wie Leichtmetalle, Blei, Zinn und deren Legierungen mindestens

das Dreifache der mittleren Diagonallänge betragen.

Der Abstand der Mittelpunkte zweier nebeneinanderliegender Prüfeindrücke muss für Werkstoffe

wie Stahl, Kupfer und Kupferlegierungen mindestens das Dreifache der mittleren Diagonallänge

und für Werkstoffe wie Leichtmetalle, Blei, Zinn und deren Legierungen mindestens das

Sechsfache der mittleren Diagonallänge betragen. Wenn zwei nebeneinanderliegende

Prüfeindrücke sich in ihrer Größe unterscheiden, dann muss der Mindestabstand auf der

Grundlage der mittleren Diagonallänge des größeren Prüfeindruckes bestimmt werden.“

Aufgabe:

Zeigen Sie vor Beginn des Versuches die Formel zur Berechnung der Vickers-Härte.

Es werden 5 Stahlproben mit unterschiedlicher Wärmebehandlung gemessen. Die Proben wurden

zwischen 100 - 500°C wärmebehandelt.

Überlegen Sie, welche Auswirkungen die verschiedenen Temperaruten auf die Härte haben

könnten.

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Die Rockwell-Härte wird durch das Kurzzeichen HR angegeben.

Bei diesem Kurzzeichen wird das Prüfverfahren direkt dahinter angegeben, je nach Härteskala. Bei

Verwendung der Härteskala C wird als Kurzzeichen HRC geschrieben.

Der ermittelte Härtewert wird vor dem Kurzzeichen angegeben.

z.B.: 62 HRC

Rockwell –C Härte 62

Härte-

skala

Kurzzeichen

für die Härte

Eindring-körper Prüfvor-

kraft F0 [N]

Prüfzusatz-

kraft F1 [N]

Prüfgesamt-

kraft F [N]

Anwendungs-

bereich

A HRA Diamantkegel 98,07 490,3 558,4 20-88 HRA

C HRC Diamantkegel 98,07 1373 1471 20-70 HRC

D HRD Diamantkegel 98,07 882,6 980,7 40-77 HRD

Tabelle 6: Härteskala

Versuchsdurchführung:

Für diesen Versuch wird an der Härtemaschine eine Prüflast von 150 kg eingestellt. Die

Einwirkdauer beträgt 2-6 s. Der Härtewert kann direkt an der äußeren Skala abgelesen werden.

Auszug aus DIN EN ISO 6508

„Der Abstand der Mittelpunkte zweier nebeneinanderliegender Prüfeindrücke muss mindestens

das Vierfache des Eindruckdurchmessers betragen (aber nicht weniger als 2 mm).

Der Abstand des Mittelpunktes jedes Prüfeindrucks vom Rand der Probe muss mindestens das

Zweieinhalbfache des Eindruckdurchmessers betragen (aber nicht weniger als 1 mm).“

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Seite 12

Aufgabe:

Es werden 5 Stahlproben mit unterschiedlicher Wärmebehandlung gemessen. Die Proben wurden

zwischen 100 - 500°C wärmebehandelt.

Überlegen Sie, welche Auswirkungen die verschiedenen Temperaruten auf die Härte haben

könnten.

Verfahren Brinell Vickers Rockwell C

Eindringkörper Stahlkugel Diamantpyramide

quadratisch, 136°

Diamantkegel 120°

Kurzzeichen HBW HV HRC

Anwendungsbereich Alle Werkstoffe bis

600 HBW

Alle Werkstoffe Harte Werkstoffe

Anwendungsgrenzen bis 600 HBW beliebig 20 – 70 HRC

Krafteinwirkdauer 10-15 s 10-15 s 2-6 s

Auswertung Eindruckfläche

messen und Härte

berechnen

Eindruckfläche

messen und Härte

berechnen

Eindruckteife messen

und Härtewert direkt

ablesen

Tabelle 7: Gegenüberstellung der Verfahren

Versuchsablauf:

1) Rockwell-C

Zu jeder Probe werden jeweils zwei Messwerte aufgenommen. Liegen die beiden Werte

innerhalb der normierten Toleranz von ± 1,5 HRC, kann die nächste Probe vorgenommen

werden. Liegen die Werte außerhalb des Bereiches muss die Probe nochmals gemessen

werden.

2) Brinell

Pro Probe werden jeweils 2 Prüfungen durchgeführt. Aus den ermittelten Durchmesser, wird

der Mittelwert und die Härte berechnet.

3) Vickers

Pro Probe werden jeweils 2 Prüfungen durchgeführt. Aus den ermittelten Durchmesser, wird

der Mittelwert und die Härte berechnet.

Aufgaben für WP-3 WS 13/14

Härteprüfung

Aufgabenstellung

1) Stellen Sie Ihre Ergebnisse (Messwerte und berechnete Härtewerte) der einzelnen

Härteprüfverfahren (BRINELL,VICKERS, ROCKWELL-C) tabellarisch dar. Die handschriftlich

aufgenommenen Werte, sowie die Theoriefragen, sind dem Messbericht beizufügen.

2) Erstellen Sie auf einem separaten Blatt (DIN A4) ein Diagramm für Aufgabenstellung 1 (HB

über HRC). Welcher Verlauf ist erkennbar?

Erstellen Sie auf einem separaten Blatt (DIN A4) ein Diagramm für Aufgabenstellung 1 (HV

über HRC). Welcher Verlauf ist erkennbar?

Erstellen Sie auf einem separaten Blatt (DIN A4) ein Diagramm für Aufgabenstellung 1 (HB

über HV). Welcher Verlauf ist erkennbar?

3) Was bedeutet der Faktor 0,102 bei BRINELL und VICKERS?

4) Beschreiben Sie den Messvorgang bei ROCKWELL-C! Welchen Zweck hat die Prüfvorkraft bei

ROCKWELL-C?

5) Bei welcher absoluten Eindringtiefe ist die Härte HRC = 0 vorhanden? Welchen

Härtehöchstwert gibt es bei der Härteskala HRC?

6) Wie groß müssen die Eindruckabstände bei ROCKWELL-C und bei VICKERS sein, wenn eine

normgerechte Prüfung durchgeführt werden soll? Was kann passieren, wenn der

Prüfabdruck zu nah am Rand bzw. zu nah an einem anderen Prüfabdruck ist?

7) Was bedeuten die Eindring- und die Einwirkdauer bei den Härteprüfverfahren?

8) Worin liegen die wesentlichen Unterschiede zwischen den Verfahren nach VICKERS bzw.

BRINELL und ROCKWELL?

9) Nennen Sie Vor- und Nachteile von BRINELL.