Die Materialhärte ist eine wesentliche Eigenschaft, die angibt, wie gut ein Material mechanischen Kräften standhalten kann, ohne dass es zu nennenswerten Verformungen kommt. Es handelt sich um ein entscheidendes Merkmal in der Fertigung und Technik, das sich nicht nur auf die Leistung und Lebensdauer von Produkten, sondern auch direkt auf die Effizienz des Produktionsprozesses und die Qualität der Endprodukte auswirkt. In diesem Artikel werfen wir einen genaueren Blick darauf, was Materialhärte ist und wie sie gemessen wird.
Was ist Materialhärte?
Unter Materialhärte versteht man die Fähigkeit eines Materials, einer lokalen plastischen Verformung (dauerhafte Verformung) zu widerstehen. Mit anderen Worten: Es misst, wie widerstandsfähig ein Material gegenüber Formveränderungen unter Einwirkung äußerer Kräfte wie Kratzern, Eindrücken und Abrieb ist.
Wie in der folgenden Abbildung dargestellt, weisen die meisten Kunststoffmaterialien eine geringere Härte auf, während es äußerst schwierig ist, einen Diamanten einzubeulen oder zu zerkratzen. Die meisten anderen Materialien liegen irgendwo dazwischen.
Härte kann leicht mit anderen Materialeigenschaften wie Zähigkeit und Festigkeit verwechselt werden, gehört aber zu drei verschiedenen Eigenschaften eines Materials. Insbesondere bezeichnet die Härte die Widerstandsfähigkeit der Oberfläche gegen Verformung und Verschleiß, während sich die Zähigkeit auf die Fähigkeit eines Materials bezieht, Energie zu absorbieren und sich plastisch zu verformen, ohne zu brechen, und die Festigkeit die Gesamtfähigkeit des Materials betrifft, Zug-, Druck- und Biegekräften standzuhalten. Eine einfache Möglichkeit, diese Eigenschaften zu unterscheiden, besteht darin, sich daran zu erinnern, dass es bei der Härte um den Oberflächenwiderstand, bei der Zähigkeit um die Energieabsorption und Verformung und bei der Festigkeit um die Gesamttragfähigkeit geht.
Gleichzeitig sind diese Eigenschaften miteinander verbunden. Materialien mit hoher Härte weisen beispielsweise typischerweise eine bessere Verschleißfestigkeit auf, was bedeutet, dass die Verwendung härterer Materialien den Teileverschleiß reduzieren und die Lebensdauer von Komponenten erheblich verlängern kann. Die Härte hängt auch eng mit der Fähigkeit eines Materials zusammen, Verformung und Bruch zu widerstehen. Im Allgemeinen weisen Materialien mit hoher Härte auch eine höhere Zug- und Druckfestigkeit auf, die in vielen technischen Anwendungen häufig zur Gewährleistung struktureller Stabilität und Sicherheit eingesetzt werden. Es ist jedoch wichtig zu beachten, dass Materialien mit hoher Härte spröder sein können und eine geringere Zähigkeit aufweisen, während Materialien mit hoher Zähigkeit möglicherweise eine geringere Härte aufweisen.
Härtearten
Nachdem wir die Definition von Härte verstanden haben, können wir es kaum erwarten, zu klären, wie sie ins Spiel kommt. Lassen Sie uns nun die drei Haupttypen untersuchen: Eindruckhärte, Ritzhärte und Rückprallhärte.
Eindruckhärte
Die Eindruckhärte bezieht sich auf den Widerstand eines Materials gegen bleibende Verformung, wenn es einer kontinuierlichen Belastung ausgesetzt wird. Dies ist die häufigste Belastungsart, die auf Metalle ausgeübt wird. Wenn es um Härte geht, wird daher in der Regel die Eindruckhärte angegeben.
Die Beurteilung erfolgt üblicherweise mithilfe von Tests, bei denen die Tiefe oder Größe einer Vertiefung gemessen wird, die ein harter Gegenstand unter einer bestimmten Kraft hinterlässt. Zu den am häufigsten verwendeten Methoden zur Messung der Eindruckhärte gehören Rockwell-, Brinell- und Vickers-Härteprüfungen.
Kratzhärte
Die Kratzhärte beschreibt die Fähigkeit eines Materials, Kratzern auf seiner Oberfläche durch den Kontakt mit einem anderen Metall zu widerstehen. Sie wird typischerweise mit dem Mohs-Härtetest gemessen, der hauptsächlich zur Prüfung der Härte spröder Materialien wie Mineralien und Keramik verwendet wird.
Rückprallhärte
Die Rückprallhärte, auch dynamische Härte genannt, bezieht sich auf die Elastizität eines Materials und beschreibt seine Fähigkeit, beim Aufprall Energie zu absorbieren und an den Eindringkörper zurückzugeben.
Die Rückprallhärte wird beurteilt, indem die Höhe gemessen wird, in der ein Standardhammer von der Oberfläche des Materials abprallt. Der Leeb-Härteprüfer (Leeb-Härte) ist ein Instrument, das auf dem Prinzip der Rückprallhärte basiert.
Wie kann die Materialhärte gemessen werden?
Jede Art von Härte bietet eine andere Perspektive auf die Verformungs- und Verschleißbeständigkeit eines Materials und kann mit verschiedenen Methoden und Maßstäben gemessen werden. Bevor wir uns mit den Messmethoden befassen, wollen wir uns zunächst ein allgemeines Verständnis der Härteeinheiten verschaffen.
Verschiedene Härteeinheiten
Wie in der Tabelle oben gezeigt, sehen wir verschiedene Härtebezeichnungen wie „HV“, „HB“ und „HRB“. Was bedeuten sie? Härtewerte selbst haben keine traditionellen physikalischen Einheiten wie Newton oder Pascal. Stattdessen werden sie mit Prüfmethodenbezeichnungen (wie HV oder HB) versehen, die im praktischen Einsatz quasi als „Einheiten“ dienen. Nachfolgend sind die am häufigsten verwendeten Einheiten für die Härtemessung aufgeführt:
HB: Brinell-Härtezahl
HRA, HRB, HRC usw.: Rockwell-Härtezahl
HV: Vickers-Härtezahl
HLD, HLS, HLE usw.: Leeb-Härtewert
Gängige Methoden zur Prüfung der Materialhärte
Wie bereits erwähnt, spiegelt die Härte die Fähigkeit eines Materials wider, Kratzern, Schnitten oder Abnutzung seiner Oberfläche zu widerstehen. Sie wird typischerweise gemessen, indem eine bestimmte Last auf die Oberfläche des Materials ausgeübt wird. Nachfolgend sind die gängigen Methoden zur Härteprüfung aufgeführt. Wir skizzieren die Prinzipien und Hauptmerkmale jeder Methode und heben die Vorteile und Grenzen jeder Methode bei der Härtemessung hervor.
Methode Nr. 1: Brinell-Härtetest
Bei der Brinell-Härteprüfung wird eine harte Stahl- oder Hartmetallkugel mit einem typischen Durchmesser von 10 mm unter einer bestimmten Belastung, die je nach zu prüfendem Material unterschiedlich ist, in die Oberfläche des Materials gedrückt. Die Standardlast beträgt 3000 kg (oder 29420 N) und wird normalerweise auf Hartmetalle wie Eisen und Stahl angewendet. Bei weicheren Materialien wie Kupfer und Messing beträgt die Belastung jedoch 500 kg (oder 4905 N). Diese Belastung wird für eine vorgegebene Zeitspanne ausgeübt und dann entfernt. Der Durchmesser der auf der Materialoberfläche hinterlassenen Vertiefung wird mit einem Mikroskop gemessen. Die Brinell-Härtezahl (HB) wird dann nach folgender Formel berechnet:
WobeiF – die aufgebrachte Last in Kilogramm-Kraft (kgf). Im SI-System wird üblicherweise Newton (N) als Lasteinheit verwendet. In diesem Fall kann HB auch als HBN bezeichnet werdenD – der Durchmesser der Kugel, mmd – der Durchmesser der Vertiefung, mm
Der Brinell-Härtetest wird üblicherweise zur Prüfung großer oder dicker Materialien mit geringer bis mittlerer Härte verwendet, wie z. B. Gusseisen, Stahl, Nichteisenmetalle und deren Legierungen. Es eignet sich besonders für die Prüfung von Materialien mit grober oder ungleichmäßiger Kornstruktur, da der große Eindruck lokale Unstimmigkeiten ausgleicht. Der Test ist relativ einfach durchzuführen und erfordert nur eine minimale Probenvorbereitung. Allerdings sind die Prüfgeräte im Vergleich zu anderen Härteprüfmethoden wie Rockwell- oder Vickers-Härteprüfungen in der Regel sperrig und weniger tragbar.
Methode Nr. 2: Rockwell-Härtetest
Bei dieser Testmethode wird zunächst ein Eindringkörper unter einer Vorspannung (geringfügige Belastung), typischerweise 10 kgf, in die Materialoberfläche gedrückt, was dabei hilft, den Eindringkörper zu fixieren und etwaige Oberflächenunregelmäßigkeiten zu beseitigen. Anschließend wird eine zusätzliche Hauptlast aufgebracht, wobei die Gesamtlast (geringe plus große Last) je nach verwendeter Waage zwischen 60 und 150 kgf liegt. Nach einer festgelegten Verweilzeit wird die Hauptlast entfernt und die Eindrucktiefe noch unter geringer Last gemessen.
Die Rockwell-Härtezahl kann anhand verschiedener Rockwell-Härteskalen abgelesen werden, wobei die A-, B- und C-Skalen (HRA, HRB, HRC) am häufigsten verwendet werden. Verschiedene Skalen eignen sich für unterschiedliche Materialarten und Härtebereiche, jeweils mit unterschiedlichen Belastungen und Eindringkörpertypen. Um beispielsweise die Härte härterer Stähle und Hartlegierungen zu messen, wird ein Diamantkegel-Eindringkörper mit einer Hauptbelastung von bis zu 150 kgf verwendet und die Härtezahl auf der Skala „C“ abgelesen. Für weichere Materialien wie Kupferlegierungen, Aluminium und weichere Stähle wird typischerweise eine Stahlkugel mit einem Durchmesser von 1/16 Zoll und einer Hauptlast von bis zu 100 kgf verwendet, und der Härtewert wird auf der „B“-Skala abgelesen.
Die Formel für die Rockwell-Härte lautet:
WoN – Skalierungsfaktor abhängig von der verwendeten Skalas – Skalierungsfaktor abhängig von der verwendeten Skalad – Tiefe der bleibenden Einkerbung im Vergleich zu geringer Belastung, mm
Diese Methode ist schnell und einfach durchzuführen und die Härteergebnisse können direkt von Rockwell-Härteskalen abgelesen werden. Insgesamt stehen 30 Skalen zur Prüfung unterschiedlicher Materialien und Härtebereiche zur Verfügung. Daher wird diese Methode häufig in der Qualitätskontrolle und Materialprüfung in verschiedenen Branchen eingesetzt. Allerdings ist der Rockwell-Test möglicherweise nicht ideal für extrem harte Materialien (z. B. Keramik) oder sehr weiche Materialien (z. B. Gummi).
Methode Nr. 3: Vickers-Härtetest
Bei diesem Test wird ein diamantpyramidenförmiger Eindringkörper mit quadratischer Grundfläche und einem Winkel von 136 Grad zwischen gegenüberliegenden Flächen verwendet. Der Eindringkörper wird mit einer bestimmten Kraft in das Material gedrückt und für eine bestimmte Zeit gehalten. Nach dem Entladen bleibt eine quadratische Vertiefung zurück. Die Längen der beiden Diagonalen des Eindrucks werden mit einem Mikroskop oder einem anderen Präzisionsmessgerät gemessen. Diese Messungen werden dann verwendet, um die Vickers-Härtezahl (HV) mithilfe der folgenden Formel zu berechnen:
WobeiF – die aufgebrachte Last, kgfd – die durchschnittliche Länge der Diagonalen, mm
Der Vickers-Härtetest ist vielseitig und kann zur Prüfung nahezu aller Materialien eingesetzt werden, von sehr weichen Metallen bis hin zu extrem harten Keramiken. Es liefert präzise Härtewerte und kann auf sehr kleinen Flächen oder dünnen Schichten durchgeführt werden. Darüber hinaus ist die Berechnung des Härtewertes einfach, da für alle Materialien der gleiche Diamant-Eindringkörper verwendet wird. Diese Prüfmethode erfordert jedoch spezielle Geräte, wie z. B. einen Mikrohärteprüfer und ein hochwertiges Mikroskop, die kostspielig sind. Darüber hinaus ist die Messung der Eindruckdiagonalen insbesondere bei Mehrfachprüfungen zeitaufwändig.
Methode Nr. 4: Mohs-Härtetest
Der Härtetest nach Mohs ist ein Kratztest. Dabei handelt es sich um eine qualitative Methode, die die Kratzfestigkeit eines Materials durch Mineralien bekannter Härte auf einer Skala von 1 (am weichsten) bis 10 (am härtesten) vergleicht. Talk ist am weichsten (1) und Diamant am härtesten (10).
Diese Methode ist einfach und schnell durchzuführen, ohne dass eine hochentwickelte Ausrüstung erforderlich ist. Es ist sehr nützlich für die Feldarbeit und die schnelle Identifizierung von Mineralien und anderen Materialien. Es liefert jedoch nur relative Härtewerte und hängt vom Können und der Erfahrung des Bedieners ab.
Moderne Kratztests haben sich vom einfachen Mohs-Härtetest zu ausgefeilteren Methoden entwickelt, bei denen häufig präzise Geräte wie Diamanteindringkörper und kontrollierte Belastungsmechanismen zum Einsatz kommen, um genauere und reproduzierbarere Messungen der Materialhärte und Verschleißfestigkeit zu ermöglichen. Diese Tests können die Kratzfestigkeit von Materialien quantifizieren und werden häufig in verschiedenen Branchen eingesetzt, darunter Beschichtungen, Metalle, Keramik und Verbundwerkstoffe.
Methode Nr. 5: Skleroskoptest
Der Scleroskop-Test misst die Rückprallhärte eines Materials. Dabei wird ein Hammer mit Diamantspitze aus einer festen Höhe auf das Material geworfen und die Rückprallhöhe gemessen. Je höher der Rückprall, desto härter das Material.
Bei diesem Test handelt es sich um eine traditionelle, aber direkte und zerstörungsfreie Messung, die heute häufig in spezielleren oder historischen Kontexten anzutreffen ist. Im Gegensatz dazu hat die Leeb-Härteprüfung, bei der es sich ebenfalls um eine zerstörungsfreie Prüfung auf Basis der Rückprallgeschwindigkeit einer Prüfmasse handelt, in modernen Anwendungen die Skleroskopprüfung weitgehend ersetzt. Der Leeb-Härtetest wird aufgrund seiner Tragbarkeit und Vielseitigkeit häufiger verwendet, insbesondere für Feldtests und den großtechnischen Einsatz in der Industrie. Oftmals umfasst er auch digitale Messwerte.
Materialhärtetabelle
Sobald Sie die Art der Belastungsbedingungen kennen, denen das Teil ausgesetzt sein wird, können Sie eine der oben genannten Härteprüfmethoden in Betracht ziehen, um Ihre Materialoptionen zu vergleichen. Alternativ können Sie sich auf die Informationen von Anbietern und Online-Ressourcen wie Matweb verlassen. Darüber hinaus ist die Materialhärtetabelle auch ein wichtiges Nachschlagewerk zum Verständnis und Vergleich der Härte verschiedener Materialien. Die folgende Tabelle zeigt die Härtewerte dieser verschiedenen Materialien anhand verschiedener Messmethoden.
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Wenn Sie das richtige Material für Ihr Projekt auswählen möchten, müssen Sie die Härte des Materials kennen. Als CNC-Bearbeitungshersteller mit über 10 Jahren Erfahrung und der Fähigkeit, ein breites Spektrum an Materialien zu verarbeiten, können wir von unseren zuverlässigen Rohstofflieferanten die genauesten Härtedaten erhalten. Wir verfügen außerdem über eine eigene Fabrik und führen regelmäßige Härteprüfungen als wesentlichen Bestandteil unserer Qualitätskontrollverfahren durch.
Selbstverständlich können wir Ihnen bei speziellen Anforderungen auch professionelle und ausführliche Prüfberichte erstellen. Wir verfügen nicht nur über ein Team von Qualitätskontrollexperten, die die Härte von Materialien testen können, sondern auch über ein professionelles Team von Ingenieuren und Maschinisten, um sicherzustellen, dass jedes Projekt den höchste Qualität-Standards.
FAQ
Wie können wir die geeignete Härteprüfmethode auswählen?
Bei der Auswahl einer geeigneten Härteprüfmethode sollten wir Faktoren wie die Art des Materials, seine Dicke, die Oberflächenbeschaffenheit und die erforderliche Prüfgenauigkeit berücksichtigen. Die folgenden Punkte können als wichtige Referenz dienen:
Für dicke Materialien oder große Materialien mit grober Mikrostruktur eignet sich die Brinell-Härteprüfung.
Wenn Sie eine schnelle, direkte und zerstörungsfreie Messung verschiedener Materialien in einer Fertigungsumgebung benötigen, ist die Rockwell-Härteprüfung geeignet.
Wenn Sie präzise Messungen für dünne Materialien oder kleine Teile benötigen, ist die Vickers-Härteprüfung geeignet.
Wenn Sie vor Ort oder zerstörungsfreie Prüfungen durchführen müssen, bietet der Leeb-Härtetest Mobilität und Komfort.
Welche Beziehung besteht zwischen der Härtezahl und der Spannungs-Dehnungs-Kurve?
Die Härtezahl ist ein quantitativer Indikator für die Widerstandsfähigkeit eines Materials gegenüber Einkerbungen oder Kratzern, während die Spannungs-Dehnungs-Kurve eine umfassende Darstellung des Verformungsverhaltens eines Materials bei unterschiedlichen Spannungsniveaus bietet.
Obwohl es keinen direkten mathematischen Zusammenhang zwischen Härte und Spannungs-Dehnungs-Parametern gibt, kann die Härtezahl häufig als indirekter Hinweis auf den Elastizitätsmodul und die Streckgrenze eines Materials dienen. Ein Material mit einer hohen Härtezahl weist im Allgemeinen einen steileren elastischen Bereich und eine höhere Streckgrenze auf der Spannungs-Dehnungs-Kurve auf, was auf eine höhere Streckgrenze und einen größeren Widerstand gegen Verformung hinweist. Im Gegensatz dazu kann ein Material mit einer niedrigen Härtezahl ein duktileres Verhalten mit einem längeren plastischen Bereich auf der Kurve zeigen. Um die mechanischen Eigenschaften von Materialien umfassend beurteilen zu können, ist es notwendig, den Zusammenhang zwischen diesen beiden Faktoren zu verstehen.
Die vielfältigen Herstellungsprozesse verstehen13 Dezember, 2024
