Härteprüfung & Härteprüfverfahren

Als Begriffsbestimmung der Härteprüfung schlug Martens um 1900 vor: „Härte ist der Widerstand, den ein Körper dem Eindringen eines anderen (härteren) Körpers entgegensetzt.“ Diese ebenso einfache wie anschauliche Definition hat sich im technischen Bereich durchgesetzt und wurde bis heute beibehalten. Die technische Härte ist eine mechanische Kenngröße zur Beschreibung eines Werkstoffes oder eines Werkstoffzustandes.

Die Härte kann nicht direkt gemessen werden, sondern wird aus primären Messgrößen (zum Beispiel Prüfkraft, Eindringtiefe, Eindruckfläche) abgeleitet. Je nach Härteprüfverfahren wird der Härtewert bestimmt:

aus der Prüfkraft und einer den Härteeindruck kennzeichnenden geometrischen Größe (zum Beispiel Eindringtiefe)
allein durch eine den Härteeindruck charakterisierende Länge
durch eine andere Werkstoffantwort (z. B. Ritzbarkeit)

Definition Härte Wovon ist Härte abhängig? Härte messen Ziel der Härteprüfung Überblick Härteprüfverfahren Statische & Dynamische Härteprüfverfahren Gängige Normen Kategorisierung Lastbereiche Varianten der Kraftaufbringung Geschichte

Detaillierte Information zu:

Härteprüfmaschinen & Härteprüfer

Definition von Härte

Härte ist der mechanische Widerstand eines Werkstoffes (Prüfstückes) gegen das mechanische Eindringen eines anderen härteren Körpers (Eindringkörper).
Der härteste natürliche Werkstoff ist der Diamant. Dieser wird als Eindringkörper (Industriediamant) verwendet.
Die Definition von Härte unterscheidet sich von der Definition von Festigkeit, die die Widerstandsfähigkeit eines Materials gegenüber Verformung und Trennung darstellt.

Wovon ist Härte abhängig?

Härte ist keine grundsätzliche Eigenschaft eines Materials. Es gibt allerdings Härtebereiche, in denen sich gewisse Werkstoffe bewegen. Härte ist durch Wärme veränderbar, das heißt, ein Werkstück nimmt nach einer Wärmebehandlung einen anderen (höheren) Härtewert an.

Es gibt keine fest definierten Werte für Härte. Der Härtewert, der im Rahmen einer Härteprüfung ermittelt wird, kann abhängen von:

der Auswahl der Prüfmethode
der auf den Eindringkörper aufgebrachten Prüfkraft
der Verweildauer des Eindringkörpers im Material
der Eindringkörpergeometrie
der Geometrie des Werkstückes

Wie misst man Härte?

Bei der Härteprüfung an Metallen werden vorrangig Verfahren mit statischer Krafteinwirkung eingesetzt. Dabei wird entweder die Eindringtiefe oder die Eindrucksgröße, die durch einen Eindringkörper entsteht, gemessen. Man unterscheidet bei den statischen Verfahren der Härteprüfung zwischen Tiefenmessverfahren und optischen Messverfahren.

Die Tiefenmessverfahren messen die bleibende Eindringtiefe des Eindringkörpers. Das Rockwell-Verfahren ist das einzige genormte Tiefenmessverfahren (siehe ISO 6508, ASTM E18). Daneben gibt es nicht genormte Tiefenmessverfahren: Brinell und Vickers in der Tiefe (HBT, HVT).
Bei den optischen Messverfahren wird die bleibende Eindrucksgröße des Eindringkörpers gemessen. Genormte optische Härteprüfverfahren sind die Brinell Härteprüfung (ISO 6506, ASTM E10), Knoop Härteprüfung (ISO 4545, ASTM E92, ASTM E384) und Vickers Härteprüfung (ISO 6507, ASTM E92, ASTM E384).
Alternativ lassen sich im Rahmen der Härteprüfung auch Verfahren mit dynamischer Krafteinwirkung anwenden, wie z. B. die Leeb-Rückprallmethode / Leeb Härteprüfung (ISO 16589, ASTM A965), bei der die Höhe eines Kugelrückpralls gemessen wird.

Ziel der Härteprüfung

Härteprüfverfahren als Teil der Werkstoffprüfung

Die Härteprüfung gehört heute zu den am häufigsten eingesetzten Verfahren der mechanischen Werkstoffprüfung, insbesondere bei Metallen.
Einerseits lassen sich mithilfe dieses Prüfverfahrens qualitative Beziehungen zu anderen Werkstoffeigenschaften (z. B. Festigkeit, Steifigkeit, Dichte) oder zum Verhalten der Werkstoffe bei bestimmten Beanspruchungen (z. B. Verschleißwiderstand) herstellen.
Andererseits ist die Härteprüfung ein vergleichsweise einfach und schnell durchzuführendes Verfahren, das relativ zerstörungsarm ist, d. h. es bleiben nur kleinere oberflächliche Verletzungen auf der Probenoberfläche zurück.
Es bietet zudem eine einfache Möglichkeit der Qualitätskontrolle (Wareneingangs- und Warenausgangsprüfung). Auch lassen sich mit dem Verfahren der Härteprüfung verschiedenste Geometrien prüfen.

Aufgaben und Zielsetzung der Härteprüfung

Die Härteprüfung ist ein wesentliches Hilfsmittel zur Unterscheidung von Werkstoffen sowie zur Analyse, Entwicklung und Verbesserung von Werkstoffen und Technologien im Rahmen der Grundlagenforschung (Materialwissenschaft, Werkstofftechnik, Werkstoffdiagnostik).
Dabei werden Kennwerte (Härtewerte) ermittelt, die für die Anwendung von Werkstoffen in der Industrie (Eignung eines Werkstoffes für ein technisch relevantes Bauteil), deren Abnahme bei Kontrollen im Rahmen der Qualitätssicherung (Wareneingangs- und Warenausgangsprüfung), für die Unterscheidung von Materialien (z. B. bei Werkstoffverwechslungen) und für die Klärung von Schadensfällen (Schadensanalyse) von entscheidender Bedeutung sind.

Härteprüfverfahren im Überblick

Härteprüfverfahren
Statische Krafteinwirkung			Dynamische Krafteinwirkung
Ein Eindringkörper mit einer Hartmetall-Kugel oder mit einem Kegel/ einer Pyramide aus Diamant wird senkrecht in die Oberfläche des auf fester Unterlage ruhenden Prüflings eingedrückt. Die Prüfkraft wird stoßfrei mit definierter Aufbring- und Einwirkzeit aufgebracht.			Verfahren mit dynamischer Krafteinwirkung werden insbesondere bei Härteprüfungen an großen Bauteilen eingesetzt.
Optische Vermessung des Eindrucks Der Eindruck wird nach Rücknahme der Prüfkraft vermessen. Die Längenmesswerte (Diagonale, Durchmesser) werden für die Berechnung des Härtewertes herangezogen.	Tiefenmessverfahren Die Eindringtiefe wird unter Prüfkraft oder nach Wegnahme derzusätzlichen Prüfkraft gemessen.		Energiemessung Aufprall- und Rückprallgeschwindigkeit (oder -höhe) werden gemessen.
Vickers HV Brinell HBW Knoop HK	Messung unter konstanter Prüfkraft Instrumentierte Eindringprüfung Martens HM Kugeldruckhärte modifiziertes Verfahren nach Vickers HVT	Messung unter Vorkraft nach Wegnahme der zusätzlichen Prüfkraft Rockwell (A, B, C, D, E, F, G, H, K, N, T, W, X, Y) Rockwell (R, L, M, E, K, alpha) modifiziertes Verfahren nach Brinell HBT	Leeb HL Rückprallhärte (z.B. Sklerograph)

Unterscheidung statischer und dynamischer Härteprüfverfahren

Prinzipiell unterscheidet man die in der Technik gebräuchlichen Härteprüfverfahren in Verfahren mit statischer und dynamischer Krafteinwirkung.

Bei den statischen Verfahren, die zur Härteprüfung von Metallen vorrangig eingesetzt werden, wird die Prüfkraft langsam gesteigert, das heißt, sie wird stoßfrei, in einer von den Normen vorgegebenen Mindestzeit, aufgebracht (siehe Grafik).
Bei den dynamischen Verfahren dagegen wird die Prüfkraft schlagartig aufgebracht, das Prüfstück wird somit einer Stoßbeanspruchung ausgesetzt.

Unterscheidungskriterien für statische Härteprüfverfahren an Metallen

Bei der Härteprüfung von Metallen werden vorrangig Verfahren mit statischer Krafteinwirkung eingesetzt, die man anhand folgender Kriterien unterscheiden kann:

Form des Eindringkörpers (Kugel, Pyramide oder Kegel)
Material des Eindringkörpers (gehärteter Stahl, Hartmetall oder Diamant)
Größe der Prüfkraft, die auf ein Prüfstück aufgebracht wird
Art der Auswertung: Messen der Eindringtiefe (Tiefenmessverfahren) oder der Eindrucksgröße (optische Messverfahren), die durch den Eindringkörper entsteht.

Gängige Normen der Härteprüfung

Bei der Härteprüfung von Metallen wird nach den folgenden gängigen statischen Verfahren geprüft, die in den unten aufgelisteten Normen (ISO vs. ASTM) definiert sind:

PRÜFVERFAHREN	ISO	ASTM
Brinell	ISO 6506	ASTM E10
Vickers	ISO 6507	ASTM E92, ASTM E384
Rockwell	ISO 6508 DIN 50103	ASTM E18
Jominy Versuch / Stirnabschreckversuch im Rockwell Verfahren	ISO 642	ASTM A255
Knoop	ISO 4545	ASTM E92, ASTM E384
Leeb Härteprüfung (Rückprallmethode)	ISO 16589	ASTM A965

Bei der Härteprüfung an gummielastischen Polymeren und Elastomeren kommen folgende Verfahren zum Einsatz:

Shore	ISO 7619-1	ASTM D2240
Kugeldruckhärte	ISO 2039-1
Rockwell	ISO 2039-2	ASTM D785
Instrumentierte Härteprüfung	ISO 19278 (Entwurf)

Kategorisierung der Härteprüfung nach Lastbereichen

In der Härteprüfung werden je nach Anwendungsgebiet unterschiedliche Hauptlasten (Prüfkräfte) verwendet. Je nachdem, wie hoch die Hauptlast ist, die bei der Härteprüfung auf ein Prüfstück aufgebracht wird, unterscheidet man in der ISO zwischen Mikro-, Kleinlast- oder Makrohärteprüfung.

Im Makrobereich (konventioneller Härtebereich) wird mit großen Prüflasten ≥ 5kgf geprüft, was auch zu entsprechend großen Härteeindrücken auf den Prüfstücken führt. Zu den Härteprüfverfahren im Makrobereich gehören Brinell, Vickers und Rockwell.
Von einer Härteprüfung im Kleinlastbereich spricht man, wenn die Prüflast im Intervall zwischen 0,2 kgf und 5 kgf liegt (Prüflast ≥ 0,2 kgf und < 5 kgf). Das gängigste Kleinlastverfahren ist Vickers. Die Kleinlasthärteprüfung wird vor allem für die Prüfung von Kleinteilen, dicken Schichten sowie Werkstoffen mit geringer Härte eingesetzt.
Bei der Mikrohärteprüfung werden geringe Prüflasten < 0,2 kgf verwendet, die nur sehr kleine Eindrücke auf den Prüfstücken erzeugen (gängigstes Verfahren: Vickers). Daher können mit der Härteprüfung im Mikrobereich die Härte dünner Schichten oder z. B. die Härte einzelner Kristallite bzw. Einschlüsse ermittelt werden.

Härteprüfung - Varianten der Lastaufbringung

Totlast mit Gewichten

Früher wurde bei Härteprüfmaschinen die Aufbringung der Prüfkraft durch Totlasten mittels Gewichten vorgenommen. Dies bedeutet, dass eine bestimmte Prüfkraft über eine direkt wirkende Masse aufgebracht wird. Häufig kann die Prüfkraft über ein Hebelsystem oder duch das Wechseln von Gewichten verändert werden.
Die Aufbringung der Vor- und Hauptkraft bei Tiefendifferenzmethoden (Rockwell) erfolgt meist durch das Einkoppeln von Zusatzgewichten für die Hauptkraft.
Totlastsysteme dieser Bauart verfügen oft auch über Dämpfungselemente, um die Prüfkräfte möglichst stoßfrei aufbringen zu können. Trotzdem kann ein Überschwingen der Prüfkraft systembedingt nicht verhindert werden. Außerdem werden die Messungen durch Vibrationen und Stöße relativ stark beeinflusst.

Totlast mit Federn

Einige Härteprüfer, besonders portable Härteprüfer, verwenden zur Kraftaufbringung Totlasten mithilfe von Federpaketen. Dies bedeutet, dass eine bestimmte Prüfkraft nicht über eine direkt wirkende Masse, sondern über eine Feder aufgebracht wird, wobei die Kraft immer gleich bleibt und nicht veränderbar ist. Der Vorteil dieses Systems ist die Unempfindlichkeit gegenüber Vibrationen im Vergleich zu direkt wirkenden Massen (Gewichten).

Geschlossener Regelkreis

Im Allgemeinen dient ein geschlossener Regelkreis dazu, eine vorgegebene physikalische Größe (Regelgröße r) auf einen gewünschten Wert (Sollwert s) zu bringen und dort, durch die Messung und Nachregelung des Istwertes i, zu halten. Der Regelkreis führt dabei die Aufgaben Messen, Vergleichen und Stellen dauernd aus.

mehr Information zum geschlossenen Regelkreis

Totlast mit geschlossenem Regelkreis

Bei einer Kraftaufbringung mittels Totlast mit geschlossenem Regelkreis, werden diese beiden Techniken kombiniert. Hierbei wird ein Teil der Prüfkräfte mit Hilfe von direkt wirkenden Massen aufgebracht und der restliche Teil der Prüfkräfte mit Hilfe eines geschlossenen Regelkreises. Vor allem bei sehr geringen Prüfkräften, werden dabei Totlasten verwendet, um die sehr geringen Toleranzgrenzen zuverlässig einzuhalten.

Geschichte der Härteprüfung

1722: R. A. Réaumur entwickelte ein sogenanntes "Verkratzen" der Oberfläche von Mineralien mit Stahl.
1822: Die Mohs-Skala zur Gesteinsprüfung wurde erfunden. Es handelt sich um eine zehn-stufige Ritzhärteskala für Mineralien, bei der sich jedes Material mit dem nächstfolgenden (härteren Material) ritzen lässt. Die Mohs Härtewerte
werden heute noch in der Mineralogie angewendet, sind zur Ermittlung der Härte technischer Werkstoffe (Metalle) aber nicht geeignet. Die einzelnen Härtestufen sind vergleichsweise groß und weisen unterschiedlich große Abstände auf.

Härte nach Mohs	Art des Minerals	Härte nach Vickers (HV)
1	Talk	2 HV
2	Gips	35 HV
3	Kalkspat	100 HV
4	Flussspat	200 HV
5	Apatit	540 HV
6	Orthoklas	800 HV
7	Quarz	1.100 HV
8	Topas	1.400 HV
9	Korund	2.000 HV
10	Diamant	10.000 HV

1900: J. A. Brinell entwickelte einen Kugeldruckversuch, der später zum Brinell Verfahren wurde.
1920: S. R. Rockwell entwickelte das nach ihm benannte Vorkraftverfahren zur Prüfung seiner Schiffe.
1925: Das Vickers-Verfahren wurde von R. Smith und G. Sandland in England erfunden. Es ermöglichte die Mikrohärteprüfung.
1939: F. Knoop, C. G. Peters und W. B. E. Emerson entwickelten im National Bureau of Standards (USA) das Knoop Verfahren.