„Härte“ – Versionsunterschied
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{{Dieser Artikel|befasst sich mit der Härte von [[Feststoff]]en. Zu anderen Wortbedeutungen siehe [[Härte (Begriffsklärung)]].}}
'''Härte''' ist der [[Verformung|mechanische Widerstand]], den ein Werkstoff der mechanischen Eindringung eines anderen Körpers entgegensetzt. Je nach der Art der Einwirkung unterscheidet man verschiedene Arten von Härte. So ist Härte nicht nur der Widerstand gegen härtere Körper, sondern auch gegen weichere und gleich harte Körper. Die Definition von Härte unterscheidet sich gegenüber der von [[Festigkeit]], welche die Widerstandsfähigkeit eines Materials gegenüber Verformung und Trennung darstellt.
Härte ist auch ein Maß für das [[Verschleiß]]verhalten von Materialien. Harte [[Brillenglas|Brillengläser]] zerkratzen weniger, gehärtete [[Zahnrad|Zahnräder]] nutzen sich weniger ab. Bei der Auswahl von [[Werkzeugschneide]]n wie Fräskopf oder [[Drehmeißel]] ist die Härte von besonderer Bedeutung, harte Schneiden bleiben länger scharf, brechen aber
Härte und ihre Prüfung sind wichtige Schwerpunkte in den Bereichen [[Festkörperphysik]], [[Materialwissenschaft]] und Analyse von [[Werkstoff]]en sowie bei [[Geowissenschaften]] zur Charakterisierung von [[Gestein]]en und [[Mineral]]en. Härte gehört mit der [[Risszähigkeit]], [[Festigkeit]], [[Duktilität]], [[Steifigkeit]], [[Dichte]] und der [[Schmelztemperatur]] zu den [[Werkstoffeigenschaft]]en.
▲[[Datei:HärtePrüfungKrupp.jpg|mini|hochkant=1.6|Härteprüfung an einer Walze um 1900]]
== Härte und Festigkeit ==
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Der Name Universalhärte täuscht über die reale Verwendung im industriellen Alltag. Dort und auch im Laborbereich wird dieses Verfahren äußerst selten angewendet.
Das Martens-Härteprüfverfahren wurde nach dem deutschen Physiker [[Adolf Martens]] (1850–1914) benannt und wird auch als instrumentierter Eindringversuch bezeichnet. Im Jahre 2003 wurde die Universalhärte in Martenshärte umbenannt. Das Verfahren ist in der
Bei diesem Verfahren werden während der [[Belastung (Physik)|Belastungs-]] und Entlastungsphase kontinuierlich die Kraft und die Eindringtiefe gemessen. Die Martenshärte (HM) wird definiert als das Verhältnis der Maximalkraft zu der dazugehörigen Kontaktfläche und in der Einheit Newton pro Quadratmillimeter angegeben.
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Anders als bei den Vickers- oder dem Brinellverfahren wird nicht nur das plastische Verhalten des Werkstoffes bestimmt, sondern es können aus der gewonnenen Messkurve auch weitere Werkstoffparameter wie zum Beispiel der [[Eindringmodul]] (Elastischer Eindringmodul – E<sub>IT</sub>), das [[Eindringkriechen]] (C<sub>IT</sub>) sowie plastische und elastische [[Verformung]]sarbeiten bestimmt werden.
Als Eindringkörper sind folgende Formen am gebräuchlichsten: die Vickerspyramide (siehe Vickersverfahren), eine Hartmetallkugel, ein kugeliger Diamant-Eindringkörper und der Berkovich-Eindringkörper. Der Berkovich-Eindringkörper hat eine Spitze wie ein regelmäßiges [[Tetraeder]] mit Flankenwinkel 65°. Der Umriss der Eindrücke ist typischerweise etwa dreieckig.<ref>{{Webarchiv |url=http://www.bam.de/de/kompetenzen/fachabteilungen/abteilung_6/fb67/fb67_weitere_pruefverfahren.htm#Haerte |text=Bundesanstalt für Materialprüfung: Mikrohärtemessung |wayback=20130731074635 |archiv-bot=
Die Umrechnung der Eindringtiefe zur Kontaktoberfläche muss für jede Eindringkörperform bestimmt werden. Die Kontaktfläche wird für Vickers- und Berkovich-Körper durch das Produkt aus dem Quadrat der Eindringtiefe und der Konstanten 26,43 errechnet.
=== {{Anker|Härteprüfung nach Rockwell (HR)|Rockwell (HRA)|Rockwell (HRB)}} Rockwell (HR) ===
[[Datei:Dureté rockwell.svg
▲[[Datei:Dureté rockwell.svg|hochkant=1.5|mini|Prinzip der Rockwell-Härte (B-Skala, Stahlkugel)]]
Es existieren mehrere
Die Rockwellhärte eines [[Werkstoff]]s ergibt sich aus der Eindringtiefe eines Prüfkörpers bei Anliegen einer bestimmten Vor- und Prüfkraft. [[Prüfkörper]], -kräfte, -dauer und Einheitenberechnungsformeln sind in der Norm
{| class="wikitable" style="float:right; margin-left:3em;"
Beim Verfahren nach Skala C (Einheit HRC) wird ein [[Kegel (Geometrie)|kegelförmiger]] Prüfkörper aus [[Diamant]] mit einem Spitzenwinkel von 120° und einer abgerundeten Spitze mit einem Radius von 0,2 mm verwendet. Dieses Prüfverfahren kommt vor allem bei sehr harten Werkstoffen zum Einsatz. Als weitere Rockwelleindringkörper werden nach Skala B Stahlkugeln mit einem Durchmesser von 1,5875 mm (HRB, HRF, HRG) oder 3,175 mm (HRE, HRH und HRK) verwendet.▼
!Werkstoff
!Rockwell-Härte
|-
|[[Welle (Maschinenelement)|Welle]] in einem [[Getriebe]]
|ca. 48 HRC
|-
|[[Klinge|Messerklinge]] „[[Rostfreier Stahl|Nirosta]]“
|53 HRC
|-
|61 HRC
|-
▲Beispiele für Rockwell-Härten:
|65 HRC
|-
▲* eine Messerklinge aus japanischem [[Messerstahl#Japan|Shiro-Gami-Stahl]] (Weißpapier-Stahl) die Härte bis zu 61 HRC,
|[[Schnellarbeitsstahl]]
▲* eine aus [[Messerstahl#Japan|Ao-Gami-Stahl]] (Blaupapier-Stahl) sogar eine Härte bis zu 65 HRC.
|60–65 HRC
|}
▲Beim Verfahren nach Skala C (Einheit HRC) wird ein [[Kegel (Geometrie)|kegelförmiger]] Prüfkörper aus [[Diamant]] mit einem Spitzenwinkel von 120° und einer abgerundeten Spitze mit einem Radius von 0,2 mm verwendet. Dieses Prüfverfahren kommt vor allem bei sehr harten Werkstoffen zum Einsatz. Als weitere Rockwelleindringkörper werden nach Skala B Stahlkugeln mit einem Durchmesser von 1,5875 mm (HRB, HRF, HRG) oder 3,175 mm (HRE, HRH und HRK) verwendet. Für das Verfahren zulässige Härtewerte HRC müssen zwischen 20 und 70 liegen.
=== {{Anker|Härteprüfung nach Brinell}} Brinell ===
[[Datei:BrinellHardness.svg|mini|hochkant|Brinell-Härteprüfung]]
Die vom schwedischen Ingenieur [[Johan August Brinell]] im Jahre 1900 entwickelte und auf der [[Weltausstellung Paris 1900|Weltausstellung]] in Paris präsentierte Methode der Härteprüfung kommt bei weichen bis mittelharten Metallen (
Früher wurden als Eindringkörper neben den Kugeln aus Hartmetall auch Stahlkugeln (Angabe HBS oder HB) verwendet. Die Norm schreibt seit 2006 für alle Stoffe Kugeln aus [[Sintermetall|Sinterhartmetall]], zum Beispiel Wolframkarbidhartmetall (Angabe HBW) vor. Die verwendeten Kugeln haben Durchmesser von 10 mm, 5 mm, 2,5 mm und 1 mm.<ref>[http://www.metallograf.de/start.htm?/begriffe/tab-brinell.htm ''Informationen über Stahl für Metallografen – Prüfkräfte bei der Härteprüfung nach Brinell''.] metallograf.de</ref>
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* 10 = Kugeldurchmesser ''D'' in mm
* 3000 = Prüfkraft in kp
Bei einer Belastung, die länger als 15 s dauert, muss die Belastungszeit ebenfalls angegeben werden. Bsp.: 210 HBW 5/10/60.
==== Härteprüfung mit dem Poldihammer ====
[[Datei:Kugelschlaghärteprüfgerät.jpg|mini
Eine Abwandlung der Brinellprüfung ist die Prüfung mit dem [[Poldihammer]], bei welcher der Eindruck der Kugel durch einen undefinierten Hammerschlag von Hand erzeugt wird. Wegen der schlagartigen Belastung handelt es sich um ein dynamisches Härteprüfverfahren. Dabei dringt die Kugel rückseitig in einen Metallstab mit definierter Härte ein. Aus dem Verhältnis der beiden Eindruckdurchmesser kann dann die Härte des Prüflings berechnet werden. Die Methode hat den Vorteil, dass mit ihr beliebig gelagerte Prüflinge und verbaute Bauteile vor Ort geprüft werden können. Die auf diese Weise ermittelten Härtewerte stimmen zwar nicht exakt mit den statisch ermittelten Härtewerten überein, für die in der Industrie gestellten Ansprüche sind sie jedoch in den meisten Fällen ausreichend. Die Bezeichnung „Poldi“ stammt vom [[Poldi (Unternehmen)|gleichnamigen Stahlwerk]] im tschechischen [[Kladno]], wo diese Prüfmethode entwickelt wurde.
=== {{Anker|Härteprüfung nach Vickers (HV)}} Vickers (HV) ===
[[Datei:Vickers-path-2.svg|mini|hochkant|Vickers-Härteprüfung]]
[[Datei:Case hardened steel-vickers hardness test.png|mini|Ein nicht normgerechter Abdruck (schief) eines Vickers-Prüfgerätes in geätztem [[Einsatzstahl]]]]
Die im Jahr 1925 von Robert L. Smith und George E. Sandland entwickelte und nach dem britischen Rüstungskonzern [[Vickers]] benannte Härteprüfung wird zur Prüfung homogener Werkstoffe, aber auch zur Härteprüfung dünnwandiger oder oberflächengehärteter Werkstücke und Randzonen eingesetzt. Sie ist der ''Brinellprüfung'' sehr ähnlich und in der Norm nach
: <math>HV = 0{,}102 \cdot \frac {F}{\frac {d^2}{2 \cdot \sin \frac {136^\circ}{2}}}</math>
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* 10 = Prüfkraft ''F'' in [[Kilopond]]
Bei einer Belastung, die nicht zwischen 10 und 15 s andauert, muss die Belastungszeit ebenfalls angegeben werden. Bsp.: 610 HV 10/30.
Nach Vickers wird normalerweise an einem festen Prüfgerät geprüft, das nicht wackelt oder gestört werden kann. Für Prüfungen an sehr großen und/oder festen Bauteilen gibt es auch tragbare Härteprüfgeräte, die magnetisch oder mechanisch auf oder an dem Prüfstück befestigt werden.
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=== {{Anker|Härteprüfung nach Knoop}} Knoop ===
Eine Abwandlung der Vickers-Härteprüfung ist die Härteprüfung nach Knoop (
: <math>HK = 1{,}451 \, \frac{F}{l_D^2}</math>
=== {{Anker|Härteprüfung nach Shore}} Shore ===
[[Datei:Shore-Handmesser.jpg|mini|hochkant|Handmessgerät zur Härteprüfung von Elastomeren: Rechts unten die Nadel zur Penetration]]
[[Datei:Shore-haerte.jpg|mini|hochkant|6 mm starke Gummiplatte im Messgerät, darüber die penetrierende Nadel des Shore-Härteprüfers]]
==== Für Elastomere ====
Die Shore-Härte, entwickelt 1915 von dem US-Amerikaner [[Albert Shore]],<ref>{{Webarchiv |url=http://www.reifen-und-felgen.at/shop_content.php?language=de&coID=17&info=Reifenlexikon#S
Das Kernstück des [[Shore-Durometer|Shore-Härte-Prüfers]] (Durometer) besteht aus einem federbelasteten Stift aus gehärtetem Stahl. Dessen Eindringtiefe in das zu prüfende Material ist ein Maß für die Shore-Härte, die auf einer Skala von 0 Shore (2,5 Millimeter Eindringtiefe) bis 100 Shore (0 Millimeter Eindringtiefe) gemessen wird. Eine hohe Zahl bedeutet also eine große Härte. Bei einem Shore-Härteprüfgerät ist eine Zusatzeinrichtung einsetzbar, die die zu messende Probe mit einer Kraft von 12,5 [[Newton (Einheit)|Newton]] bei Shore-A, bzw. 50 Newton bei Shore-D auf den Messtisch andrückt. Bei der Bestimmung der Shore-Härte spielt die Temperatur eine höhere Rolle als bei der Härtebestimmung metallischer Werkstoffe. Deshalb wird hier die Solltemperatur von 23 °C auf das Temperaturintervall von ± 2 [[Kelvin|K]] beschränkt. Die Materialdicke sollte mindestens 6 Millimeter betragen. Die Härte des Gummis wird durch die Vernetzung (schwach vernetzt = Weichgummi, stark vernetzt = Hartgummi) bestimmt. Aber auch der Gehalt an Füllstoffen ist für die Härte eines Gummiartikels ausschlaggebend.
* Shore-A wird angegeben bei Weich-Elastomeren, nach Messung mit einer Nadel mit abgestumpfter Spitze. Die Stirnfläche des Kegelstumpfs hat einen Durchmesser von 0,79 Millimetern, der Öffnungswinkel beträgt 35°. Auflagegewicht: 1 kg, Haltezeit: 15 s.
* Shore-D wird angegeben bei Zäh-Elastomeren nach Messung mit einer Nadel, die mit einem 30°-Winkel zuläuft und eine kugelförmige Spitze mit einem Durchmesser von 0,2 Millimetern hat. Auflagegewicht: 5 kg, Haltezeit: 15 s Zu finden sind auch Messungen nach Shore-B und Shore-C, sie kommen jedoch nur selten zur Anwendung. Diese Prüfverfahren kombinieren jeweils den Kegelstumpf des Prüfverfahrens Shore-A und Shore-D mit der jeweils anderen Prüfkraft.
Eine messtechnisch ähnliche Methode ist die Ermittlung der [[IRHD]] = „International Rubber Hardness Degree“, im Deutschen auch [[Mikrohärte]] genannt.
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=== {{Anker|Härteprüfung nach Barcol}} Barcol ===
Die Barcol-Härte ist eine Härteskala für [[Glasfaserverstärkter Kunststoff|glasfaserverstärkte Kunststoffe]] (GFK). Nach der Norm
=== Buchholz ===
Die Buchholz-Härte wird für [[Lack]]e verwendet und kann nur bei glatten, mindestens (10 µm + Eindrucktiefe) dicken, nicht elastischen Lacken verwendet werden. Zur Bestimmung der Buchholz-Härte nach
: <math> \text{Eindruckwiderstand}~(\text{Buchholz}) = \frac{100\,\mathrm{mm}}{\text{Eindrucklänge}} </math>
Zur besseren Erkennbarkeit der Länge wird die Eindruckstelle mit einer Lampe im Winkel von 30° zur Ebene senkrecht zur Eindruckstelle beleuchtet, wodurch sich die Eindruckstelle sehr hell vom restlichen Lack abhebt.
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{{Hauptartikel|Leeb-Rückprallmethode}}
Die Härteprüfung nach Leeb wurde erstmals 1978 angewandt<ref>{{Webarchiv |url=http://images.mercateo.com/pdf/PCE-Group/haertepruefer-pce-1000.pdf
=== {{Anker|Härteprüfung nach Mohs}} Mohs ===
[[Datei:Wien Friedrich Mohs.jpg|mini|hochkant
Dieser Härtewert lässt sich nur durch den Vergleich mehrerer Werkstoffe oder Werkstoffzustände ermitteln.
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=== Weitere spezielle Härteprüfverfahren ===
Daneben sind einige spezielle Härteprüfverfahren üblich:
* die Universalhärteprüfung wurde 2003 in Martenshärteprüfung umbenannt und in der Norm
* Beim Kugeleindruckversuch nach EN ISO 2039-1 für [[Kunststoff]]e wird mit Kugeln von 5,0 mm Durchmesser, einer Vorlast von 9,8 N und Prüflasten von 49,0, 132, 358 oder 961 N gearbeitet. Die gemessene Eindringtiefe muss dabei im Bereich zwischen 0,15 mm und 0,35 mm liegen. Daraus wird eine reduzierte Prüfkraft und schließlich die ''Kugeleindruckhärte HB'' in N/mm² berechnet bzw. aus einer Tabelle abgelesen.
* Der [[Hardgrove-Index]] gibt die Härte von [[Kohle]] an.
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== Umwertung ==
Beim Umgang mit den verschiedenen Härteprüfverfahren ist es oft nötig, den gemessenen Härtewert eines Verfahrens in den eines anderen Verfahrens oder der Zugfestigkeit umzuwerten. Aus diesem Grund wurden auf der Basis einer Vielzahl von Vergleichsmessungen empirische Werte ermittelt, Umwertungstabellen erstellt und in der entsprechenden Norm (EN ISO 18265 (früher DIN 50150)) genormt.
Wichtig: für verschiedene Werkstoffe und verschiedene Wärmebehandlungsstufen gelten unterschiedliche Tabellen. Die einbezogenen Güten sind in der EN ISO 18265 ebenfalls aufgeführt.
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Beispiele:
* Die
* Die DIN 267 – „Mechanische Verbindungselemente“ definiert in Teil 24 „Technische Lieferbedingungen – Härteklassen für [[Mutter]]n ohne festgelegte Prüfkräfte“
* Die
== Weblinks ==
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