Härte

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Dieser Artikel befasst sich mit der Härte von Feststoffen. Zu anderen Wortbedeutungen siehe Härte (Begriffsklärung).

Härte ist der mechanische Widerstand, den ein Werkstoff der mechanischen Eindringung eines härteren Prüfkörpers 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 Verschleißverhalten von Materialien. Harte Brillengläser zerkratzen weniger, gehärtete Zahnräder nutzen sich weniger ab. Bei der Auswahl von Werkzeugschneiden wie Fräskopf oder Drehmeißel ist die Härte von besonderer Bedeutung, harte Schneiden bleiben länger scharf, brechen aber schneller.

Härte und ihre Prüfung sind wichtige Schwerpunkte in den Bereichen Festkörperphysik, Materialwissenschaft und Analyse von Werkstoffen sowie bei Geowissenschaften zur Charakterisierung von Gesteinen und Mineralen. Härte gehört mit der Risszähigkeit, Festigkeit, Duktilität, Steifigkeit, Dichte und der Schmelztemperatur zu den Werkstoffeigenschaften.

Härteprüfung an einer Walze um 1900

Härte und Festigkeit[Bearbeiten]

Die Härte eines Werkstoffs hat nur bedingt etwas mit der Festigkeit des Werkstoffs zu tun, auch wenn die Festigkeit die Prüfverfahren zur Härtemessung, die auf der Eindringtiefe verschiedener Prüfkörper beruhen, beeinflusst. Der Einfluss der Festigkeit kann durch die Messung auf dünnen Filmen zwar reduziert, aber nicht völlig vermieden werden.

In bestimmten Fällen steht die Härte eines Werkstoffs allerdings in einem umwertbaren Zusammenhang zur Werkstoff-Festigkeit. Dann kann durch die verhältnismäßig preiswerte Härteprüfung eine meist viel aufwendigere Zugprüfung ersetzt werden. Von praktischer Bedeutung ist die Möglichkeit, eine Umwertung der Brinell- oder Vickershärte auf die Zugfestigkeit von Baustählen vorzunehmen. Dadurch können beispielsweise bei Prüfungen an Stahlkonstruktionen Materialverwechslungen nachgewiesen werden.

Die meisten Materialien großer Härte haben auch eine hohe Sprödigkeit, sie lassen sich also kaum plastisch verformen und brechen plötzlich. Darauf beruht unter anderem die Technik des Glasschneidens.

Für die Konstruktion von Bauteilen müssen Härte und Zähigkeit sinnvoll ausgeglichen werden: Das harte, spröde Bauteil bricht leicht, wenn einmal eine Belastungsspitze auftritt. Zähes (also weniger hartes) Material würde das schadlos oder nur mit geringen Folgen überstehen. Letzteres würde sich jedoch schnell abnutzen. Es wird daher oft angestrebt, einen großen Innenbereich (Kern) aus zähem, festem Werkstoff mit einer sehr harten Oberflächenschicht zu versehen. Das bringt zwei Vorteile: Die Beständigkeit gegen Abnutzung nimmt zu und Anrisse können sich wesentlich schlechter bilden. Die eigentlichen Lasten werden im Innenbereich aufgenommen.

Härteprüfung und Härteskalen[Bearbeiten]

In der Werkstoffkunde, speziell bei den Metallen, werden vor allem Prüfverfahren eingesetzt, welche die Eindringhärte messen. Dabei werden genormte Prüfkörper unter festgelegten Bedingungen in das Werkstück gedrückt. Im Anschluss wird die Oberfläche oder Tiefe des bleibenden Eindruckes gemessen. Prinzipiell unterscheidet man statische und dynamische Härteprüfverfahren. Die dynamischen Prüfverfahren bringen die Belastung des zu prüfenden Teiles schlagartig auf; bei den statischen Verfahren ist die Belastung gleich bleibend oder allmählich zunehmend.

Martens (Universalhärte)[Bearbeiten]

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 DIN EN ISO 14577 (Metallische Werkstoffe – Instrumentierte Eindringprüfung zur Bestimmung der Härte und anderer Werkstoffparameter) genormt.

Bei diesem Verfahren wird während der 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.

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 – EIT), das Eindringkriechen (CIT) sowie plastische und elastische Verformungsarbeiten 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.[1]

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.

Rockwell (HR)[Bearbeiten]

Siehe auch: Rockwell (Einheit)
Prinzip der Rockwell-Härte (B-Skala, Stahlkugel)

Es existieren mehrere von dem amerikanischen Ingenieur und Firmengründer Stanley Rockwell im Jahre 1920 entwickelte Härteprüfverfahren, die für bestimmte Einsatzbereiche spezialisiert sind. Die unterschiedlichen Verfahren werden mit der Einheit HR und einer anschließenden Kennung gekennzeichnet; Beispiele für eine Rockwellbezeichnung sind HRA, HRB, HRC[2] oder HR15N, bei Härteprüfung an Blechen bis zu einer Dicke von 0,20 mm HR15T und darüber hinaus HR30Tm.

Die Rockwellhärte eines Werkstoffs ergibt sich aus der Eindringtiefe eines Prüfkörpers bei Anliegen einer bestimmten Vor- und Prüfkraft. Prüfkörper, -kräfte, -dauer und Einheitenberechnungsformeln sind in der Norm DIN EN ISO 6508-1 (früher DIN EN 10109) festgelegt. Mit einer vorgegebenen Prüfkraft wird der Prüfkörper in die Oberfläche des zu prüfenden Werkstücks vorbelastet. Die Tiefe des Eindringens des Prüfkörpers bei Vorlast dient dabei als Bezugsebene. Danach wird der Eindringkörper über einen Zeitraum von mindestens zwei Sekunden und maximal sechs Sekunden mit der Hauptlast belastet. Anschließend wird diese wieder entfernt, so dass nur noch die Vorlast wirksam ist. Die Differenz der Eindringtiefen vor und nach Auflegen der Hauptlast ist das Maß für die Rockwellhärte des Werkstoffs. Die Rockwelleinheiten errechnen sich nach einer (je nach angewandter Normskale unterschiedlichen) Formel aus der Eindringtiefe. Die Eindringtiefe des Prüfkörpers wird mit einer Messuhr festgestellt, die mit der Prüfspitze verbunden ist.

Beim Verfahren nach Skala C (Einheit HRC) wird ein 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 Hartmetallkugeln mit einem Durchmesser von 1,5875 Millimetern (HRB, HRF, HRG) oder 3,175 Millimetern (HRE, HRH und HRK) verwendet.

Versuchsablauf:

  1. Vorkraft aufgeben – bei HRA, HRB, HRC usw.: 10 kp (~ 98 N); bei HRN und HRT: 3 kp (~ 29,4 N)
  2. Messuhr nullen
  3. Hauptkraft zusätzlich aufgeben, z. B. HRB = 90 kp (~ 882,6 N), HRC = 140 kp (~ 1372,9 N)
  4. Einwirkdauer hängt vom Kriechverhalten des Stoffes ab:
    2–3 s: für Metalle ohne zeitabhängiges plastisches Verhalten
    3–6 s: für Metalle mit zeitabhängigem plastischen Verhalten
  5. Hauptkraft aufheben
  6. Härtewert an der Messuhr ablesen
  7. Vorkraft aufheben

Die Rockwellprüfung ist sehr schnell, stellt aber hohe Ansprüche an die Einspannung des Prüflings im Prüfgerät. Sie ist ungeeignet für Prüflinge, die im Prüfgerät elastisch nachgeben, zum Beispiel Rohre.

Beispiele für Rockwell-Härten:

Oberhalb von 65 HRC enden in aller Regel die Möglichkeiten zur spanenden Bearbeitung mit geometrisch bestimmter Schneide[3] von Oberflächen (Drehen, Bohren, Fräsen); härtere Oberflächen müssen geschliffen werden (Spanen mit geometrisch unbestimmter Schneide).

Messbereich: Für das Verfahren zulässige Härtewerte HRC müssen zwischen 20 und 70 liegen.

Brinell[Bearbeiten]

Brinell-Härteprüfung
Prüfgerät (Poldihammer) mit Vergleichsstab zur Messung der Kugelschlaghärte

Die vom schwedischen Ingenieur Johan August Brinell im Jahre 1900 entwickelte und auf der Weltausstellung in Paris präsentierte Methode der Härteprüfung kommt bei weichen bis mittelharten Metallen (EN ISO 6506-1 bis EN ISO 6506-4) wie zum Beispiel unlegiertem Baustahl, Aluminiumlegierungen, bei Holz (ISO 3350) und bei Werkstoffen mit ungleichmäßigem Gefüge, wie etwa Gusseisen, zur Anwendung. Dabei wird eine Hartmetallkugel mit einer festgelegten Prüfkraft F in die Oberfläche des zu prüfenden Werkstückes gedrückt.

Früher wurden als Eindringkörper neben den Kugeln aus Hartmetall auch Stahlkugeln verwendet. Nach dem letzten Stand der Normung ist eine Stahlkugel ab dem Jahr 2006 allerdings nicht mehr zulässig. Die Norm schreibt jetzt für alle Stoffe Kugeln aus Sinterhartmetall vor. Die verwendeten Kugeln haben Durchmesser von 10 mm, 5 mm, 2,5 mm, 2 mm und 1 mm.

Nach einer Belastungszeit von 10 bis 15 Sekunden für Stähle und Gusseisen und 10 bis 180 Sekunden für Nichteisenmetalle und deren Legierungen wird der Durchmesser des bleibenden Eindrucks im Werkstück gemessen und daraus die Oberfläche des Eindrucks bestimmt. Der zu bestimmende Durchmesser d ist der Mittelwert zweier rechtwinklig zueinander liegenden Durchmesser d1 und d2 des bleibenden Eindruckes. Bei anisotroper Verformung wird der zur Berechnung der Härte nötige Durchmesser aus dem größten d1 und kleinsten Durchmesser d2 gemittelt.

d = \frac {d_1 + d_2}{2}

Die Brinellhärte ist definiert als das Verhältnis von Prüfkraft zur Eindruckoberfläche. Die Prüfkraft in Newton multipliziert man mit dem Wert 0,102 (also dem Kehrwert von 9,81), um die Krafteinheit Newton in die ältere Einheit Kilopond umzurechnen. Damit wird sichergestellt, dass Härtemessungen unter Verwendung moderner Einheiten dasselbe Resultat ergeben wie historische Werte, die auf heute veralteten Einheiten beruhen.

HBW = \frac {0{,}102 \cdot 2 \cdot F}{\pi \cdot D \cdot \left(D - \sqrt{D^2-d^2} \right)}

In obiger Formel ist die Kraft F in N, der Kugeldurchmesser D und der mittlere Eindruckdurchmesser d in mm einzusetzen. Der Wert im Nenner ergibt sich aus der Formel für die Oberfläche der runden Seite eines Kugelsegments, einer sogenannten Kugelkalotte.

Normgerechte Angabe der Brinellhärte[Bearbeiten]

Nach EN ISO 6506-1 muss neben dem Härtewert auch das verwendete Verfahren, der Kugeldurchmesser und die Prüfkraft immer mit angegeben werden.

Bsp.: 345 HBW 10/3000

wobei:

  • 345 = Härtewert
  • HBW = Prüfverfahren[4] (W steht für das Material der Prüfkugel: Wolframkarbidhartmetall)
  • 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

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 gleichnamigen Stahlwerk im tschechischen Kladno, wo diese Prüfmethode entwickelt wurde.

Bei un- und niedriglegierten Stählen kann aus der Brinellhärte mit gewisser Toleranz die Zugfestigkeit (Rm) des Werkstoffes abgeleitet werden. Rm ˜ 3,5 · HBW

Vickers (HV)[Bearbeiten]

Vickers-Härteprüfung
Ein nicht normgerechter Abdruck (schief) eines Vickers-Prüfgerätes in geätztem Einsatzstahl

Der Brinellprüfung sehr ähnlich ist die im Jahr 1925 von Smith und Sandland entwickelte und nach der britischen Flugzeugbaufirma Vickers benannte Härteprüfung, die zur Prüfung homogener Werkstoffe dient und auch zur Härteprüfung dünnwandiger oder oberflächengehärteter Werkstücke und Randzonen eingesetzt wird. Sie ist in der Norm nach DIN EN ISO 6507-1:2005 bis -4:2005[5] geregelt. Im Gegensatz zur Rockwellprüfung wird eine gleichseitige Diamantpyramide mit einem Öffnungswinkel von 136° unter einer festgelegten Prüfkraft in das Werkstück eingedrückt. Aus der mittels eines Messmikroskops festgestellten Länge der Diagonalen des bleibenden Eindrucks wird die Eindruckoberfläche errechnet. Das Verhältnis von Prüfkraft in der Einheit Newton zur Eindruckoberfläche (d in Millimetern) ergibt mit dem Faktor 0,1891 multipliziert die Vickershärte (HV, engl. VHN = Vickers Hardness Number). Als diese Härteprüfung entwickelt wurde, war es noch allgemein üblich, die Prüfkraft in der Einheit Kilopond anzugeben, und der Faktor betrug 1,8544 (= 2*sin 136°/2).

HV = \frac {0{,}102 \cdot 2 \cdot F \cdot \sin \frac {136^\circ}{2}}{d^2} \approx 0{,}1891 \, \frac {F}{d^2}

dabei ist

d = \frac {d_1 + d_2}{2}

Die Zahl 0,102 ist die Umrechnung von Newton in Kilopond.

Die Härteprüfung nach Vickers ist in drei Bereiche zu unterteilen:

  1. Vickers-Härteprüfung: F ≥ 49,03 N
  2. Vickers-Kleinkrafthärteprüfung: 1,961 N = F < 49,03 N
  3. Vickers-Mikrohärteprüfung: 0,098 N = F < 1,961 N

Normgerechte Angabe der Vickershärte[Bearbeiten]

Neben dem Härtewert muss auch das verwendete Prüfverfahren und die Prüfkraft immer mit angegeben werden.

Bsp.: 610 HV 10

wobei:

  • 610 = Härtewert
  • HV = Verfahren
  • 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

Die Vickersprüfung wird normalerweise an einem festen Prüfgerät durchgeführt, welches 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.

Die Härteprüfung nach Vickers ist vielseitig einsetzbar und gehört zu den quasi zerstörungsfreien Prüfungen, da nur eine kleine Beschädigung des Bauteils erfolgt, die oftmals akzeptiert werden kann. Bei Bauteilen, die keine Beschädigung nach der Prüfung aufweisen dürfen, gilt es als zerstörendes Prüfverfahren, da das Bauteil durch die Vickers-Härteprüfung beschädigt wird.

Anwendung findet die Vickershärte beispielsweise in der Angabe „45H“ bei Gewindestiften mit Innensechskant oder „14H“ und „22H“ bei Gewindestiften mit Schlitz sowie in der Zahntechnik bei Dentallegierungen. Die Festigkeitsklassen 14H, 22H, 33H und 45H erhält man durch Division der Härtewerte durch 10, sie entsprechen also Vickershärten HV (min.) von 140, 220, 330 und 450.

Dentallegierungen[Bearbeiten]

Die Härte zahntechnischer Metalle wird nach Vickers bei Edelmetalllegierungen mit der Prüfkraft HV5 (5 kgf entspricht 49,03 N) und bei NEM-Legierungen mit HV10 gemessen.

Für Dentallegierungen werden drei Härtewerte unterschieden:

  • w = weich; Härte der Legierung im Anlieferungszustand bzw. nach dem Weichglühen
  • a = ausgehärtet; Härte der Legierung nach einer gezielten Wärmebehandlung = „vergüten“
  • g/b = Selbstvergütung: Härte der Legierung, die durch langsames Abkühlen nach dem Guss erreicht werden kann

Bei der Prüfdurchführung ist darauf zu achten, dass die Haltezeit der Prüfkraft 10–15 s beträgt. Die Probe muss fest eingespannt und die Prüffläche absolut senkrecht zur Prüfrichtung sein. Verschmutzungen etc. sind zu entfernen. Die Prüfung war erfolgreich, wenn die Kanten des Eindrucks gleichmäßig und die Pyramidenspitze mittig eingedrückt sind. In der Praxis ist es zu empfehlen, mehrere Eindrücke durchzuführen, den max. und min. Wert dieser Messungen außer Acht zu lassen und den Mittelwert aus den verbliebenen zu ermitteln.

Knoop[Bearbeiten]

Eine Abwandlung der Vickers-Härteprüfung ist die Härteprüfung nach Knoop (DIN EN ISO 4545-1 bis -4: Metallische Werkstoffe – Härteprüfung nach Knoop), die von dem amerikanischen Physiker und Ingenieur Frederick Knoop 1939 entwickelt wurde.[6] Die in der Vickers-Prüfung gleichseitige Diamantspitze hat in der Knoop-Prüfung eine rhombische Form. Die Spitzenwinkel betragen 172,5° für die lange und 130° für die kurze Seite. Es wird nur die lange Diagonale des Eindrucks ausgemessen. Die Knoop-Prüfung findet häufig Anwendung bei spröden Materialien wie zum Beispiel Keramik oder Sinterwerkstoffen; bei der Härtemessung an Schichtsystemen stellt sie die genaueste Messmethode dar.

HK = 1{,}451 \, \frac{F}{l_D^2}

Shore[Bearbeiten]

Handmessgerät zur Härteprüfung von Elastomeren: Rechts unten die Nadel zur Penetration
6 mm starke Gummiplatte im Messgerät, darüber die penetrierende Nadel des Shore-Härteprüfers

Für Elastomere[Bearbeiten]

Die Shore-Härte, entwickelt 1915 von dem US-Amerikaner Albert Shore[7], ist ein Werkstoffkennwert für Elastomere und Kunststoffe und ist in den Normen DIN EN ISO 868 und DIN ISO 7619-1 festgelegt. Das Kernstück des Shore-Härte-Prüfers 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 eine große Härte. Bei einem Shore-Härteprüfgerät ist eine Zusatzeinrichtung einsetzbar, die die zu messende Probe mit einer Kraft von 12,5 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 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. Handmessgeräte müssen meist sofort beim Aufdrücken auf die Probe abgelesen werden, der angezeigte Wert nimmt bei längerer Haltezeit ab.
  • 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.

Für Metalle[Bearbeiten]

Dieses Verfahren basiert auf dem Prinzip, dass eine auf das Werkstück fallende Kugel (oder ein Schaft mit Kugelspitze) mehr oder weniger abprallt, abhängig von der Härte des Werkstückes und der Fallhöhe. Es wird wenig angewandt, da, obwohl es ein sehr simples Verfahren ist, die Präzision sowohl von der Masse des Werkstücks (bei kleinen Werkstücken kann es leicht zum Verrutschen kommen) als auch von der perfekten Senkrechte der Fallachse abhängt. Die Härtemessung wird in Shore-Punkten ausgedrückt und ist nur für große geschliffene Zylinder genormt.

Barcol[Bearbeiten]

Die Barcol-Härte ist eine Härteskala für glasfaserverstärkte Kunststoffe (GFK). Nach der Norm DIN EN 59 wird sie wie auch die Shore-Härte unter Zuhilfenahme eines Handmessgerätes und eines Kegelstumpfes mit einer flachen Spitze bestimmt.

Buchholz[Bearbeiten]

Die Buchholz-Härte wird für Lacke verwendet, und kann nur bei glatten, mindestens (10 µm + Eindrucktiefe) dicken, nicht elastischen Lacken verwendet werden. Zur Bestimmung der Buchholz-Härte nach DIN 53 153, ISO 2815 wird der Buchholz-Härteprüfer, der aus einem runden, spitzen Rad (= Doppelkegelstumpf) und einem Beschwerungsgewicht besteht, für 30 Sekunden auf die waagrechte Oberfläche gestellt und anschließend die Eindrucklänge mit einem 20-fach vergrößerndem Mikroskop vermessen. Die Buchholz-Härte ergibt sich dann mit folgender Formel:[8]

 \text{Eindruckwiderstand} (\text{Buchholz}) = \frac{100\,\mathrm{mm}}{\text{Eindrucklänge}}

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.

Leeb[Bearbeiten]

Hauptartikel: Leeb-Rückprallmethode

Die Härteprüfung nach Leeb wurde erstmals 1978 angewandt[9] und misst die eingebrachte Energie über den Rückprall.

Mohs[Bearbeiten]

Gedenktafel für Friedrich Mohs in Wien

Dieser Härtewert lässt sich nur durch den Vergleich von mehreren Werkstoffen oder Werkstoffzuständen ermitteln.

Harte Stoffe ritzen weiche. Diese Einsicht ist Grundlage der Härteprüfung nach Friedrich Mohs (1773–1839), die vornehmlich in der Mineralogie zum Einsatz kommt. Mohs, ein Geologe, ritzte verschiedene Minerale gegeneinander und ordnete sie so nach ihrer Härte. Durch das exemplarische Zuordnen von Zahlenwerten für weit verbreitete und somit leicht zugängliche Minerale entstand eine Ordinalskala, die Mohs-Skala, die in der Mineralogie und Geologie bis heute in weitem Gebrauch ist. Die Härteunterschiede zwischen den einzelnen Referenzmineralen sind nicht linear. Angaben zur Härte von Mineralen beziehen sich immer auf die Mohs-Skala, falls nichts anderes angegeben ist. Zum Vergleich aufgeführt ist die auch als absolute Härte bezeichnete Schleifhärte nach Rosiwal, die den Schleifaufwand des jeweiligen Stoffes charakterisiert und einen besseren Eindruck von den tatsächlichen Härteverhältnissen gibt. Beide Härteskalen sind einheitslos. Außerdem ist in der Tabelle die Härte nach dem Vickersverfahren angegeben. Sie gibt den besten Bezug auf die heute gängigen Härtemessverfahren wieder.

In Bezug auf die Verwendbarkeit und Pflegebedürftigkeit von Mineralen als Schmuckstein wird oft auch eine etwas gröbere Einteilung angegeben. So gelten Minerale der Mohshärte 1 bis 2 als weich, von 3 bis 5 als mittelhart, und alle Minerale über der Mohshärte 6 werden als hart bezeichnet.[10][11]

Mineral Härte (Mohs) absolute Härte Vickershärte in HV Bemerkungen[12][11] Bild
Talk 1 0,03 2,4 mit Fingernagel schabbar Talc block.jpg
Gips oder Halit 2 1,25 36 mit Fingernagel ritzbar Gypse Arignac.jpg
Calcit (Kalkspat) 3 4,5 109 mit Kupfermünze ritzbar Calcite-sample2.jpg
Fluorit (Flussspat) 4 5,0 189 mit dem Taschenmesser leicht ritzbar Fluorite with Iron Pyrite.jpg
Apatit oder Mangan 5 6,5 536 mit Taschenmesser noch ritzbar; das härteste menschliche Gewebe Zahnschmelz hat diesen Härtegrad[13] Apatite crystals.jpg
Orthoklas (Feldspat) 6 37 795 mit Stahlfeile ritzbar OrthoclaseBresil.jpg
Quarz 7 120 1120 ritzt Fensterglas Quartz Brésil.jpg
Topas 8 175 1427   Topaz cut.jpg
Korund 9 1000 2060 Varietäten von Korund sind beispielsweise Rubin und Saphir. Cut Ruby.jpg
Diamant 10 140.000 10.060 Neben SiC härtestes natürlich vorkommendes Mineral; nur von sich selbst und (unter Hitzeeinwirkung) von Bornitrid ritzbar.
Inzwischen sind einige wenige, künstlich hergestellte, härtere Materialien bekannt, unter anderem: ADNR.
Rough diamond.jpg

Weitere spezielle Härteprüfverfahren[Bearbeiten]

Daneben sind einige spezielle Härteprüfverfahren üblich:

  • die Universalhärteprüfung wurde 2003 in Martenshärteprüfung umbenannt und in der Norm DIN EN ISO 14577 (Metallische Werkstoffe – Instrumentierte Eindringprüfung zur Bestimmung der Härte und anderer Werkstoffparameter) festgelegt
  • Beim Kugeleindruckversuch nach EN ISO 2039-1 für Kunststoffe 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.
  • Für Kohle der Hardgrove-Index.
  • Zur Untersuchung nanomechanischer Eigenschaften von Materialien: Nanoindentierung

Maßeinheiten[Bearbeiten]

Die Mohssche Härte und die absolute Härte sind einheitenlose Größen.

Die aus physikalischer Sicht richtige Einheit der Härteprüfung nach Vickers und Brinell wäre 1 N/m² bzw. 1 N/mm². Es muss jedoch beachtet werden, dass diese Prüfverfahren zu Beginn des 20. Jahrhunderts entwickelt wurden und seitdem in immer ausführlicheren Normen standardisiert und internationalisiert wurden. Das hat eine für den Physiker etwas abstrakte Schreibweise der Härtewerte und Einheiten zur Folge. Als Einheit der Härte wird die Abkürzung des Prüfverfahrens sowie die Prüfbedingungen angegeben. Sowohl bei der Vickers- als auch bei der Knoop-Härte ist eine Umrechnung in physikalische Größen möglich, indem man mit einem Faktor multipliziert, wobei man die wahre Härte H (true) in kp/mm² erhält. Bei der Vickers-Härte beträgt dieser Faktor 1,618, bei der Knoop-Härte 1,500.

Nachfolgend werden einige Beispiele für übliche Härteangaben aufgeführt:

  • Härteprüfung nach Vickers:
610 HV 10
wobei:
610 = Härtewert
HV = Verfahren
10 = Prüfkraft in Kilopond
  • Härteprüfung nach Brinell:
345 HBW 10/3000
wobei:
345 = Härtewert
HBW = Prüfverfahren (Angaben wie HB, HBS sind veraltet.)
10 = Kugeldurchmesser D in mm
3000 = Prüfkraft in Kilopond
Bei einer Belastung, die länger als 15 s dauert, muss die Belastungszeit ebenfalls angegeben werden. Bsp.: 210 HBW 5/750/60
  • Härteprüfung nach Rockwell:
58 HRC
wobei:
58 = Härtewert
HRC = Prüfverfahren
  • Von Newton und Kilopond:
Früher wurde die Kraft in Kilopond gemessen. Ein Kilopond entsprach der Gewichtskraft eines Kilogramms. Die Umstellung der Einheit der Kraft von Pond auf die Einheit Newton hatte eine Korrektur der Formeln zur Errechnung der Härtewerte zur Folge. Diese Korrektur ist im Artikel bereits berücksichtigt. Wird beim Ermitteln des Härtewerts die Krafteinheit Newton und der Korrekturfaktor verwendet, ist das Ergebnis dasselbe wie bei Verwendung der Krafteinheit Kilopond. Das hat den Vorteil, dass alte, zu „Kilopondzeiten“ ermittelte Härtewerte weiterhin gültig sind.
Bei der Angabe des Prüfverfahrens wird aus praktischen Gründen weiterhin Kilopond verwendet, da gerade Zahlen verwendet werden können.

Härten und Spanen[Bearbeiten]

Die Härte von Stählen kann während der Fertigung beeinflusst werden – siehe auch Härten.

Oberhalb einer Härte von ungefähr 60 (Rockwellhärte HRC) enden in aller Regel die Möglichkeiten zur spanenden Bearbeitung mit geometrisch bestimmter Schneide von Oberflächen, also durch Drehen, Bohren oder Fräsen. Härtere Oberflächen müssen geschliffen oder erodiert werden, man spricht dabei von Spanen mit geometrisch unbestimmter Schneide bzw Abtragen.

Umwertung[Bearbeiten]

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)) standardisiert.

Wichtig: für verschiedene Werkstoffe und verschiedene Wärmebehandlungsstufen gelten unterschiedliche Tabellen. Die einbezogenen Güten sind in der EN ISO 18265 ebenfalls aufgeführt.

Die nachstehenden Umwertungstabellen können folglich nur als Orientierung angesehen werden. Für eine normgerechte Umwertung ist die entsprechende Norm heranzuziehen. Begibt man sich jedoch bei der Auslegung von Bauteilen an die Grenzen des Möglichen, genügen die in der Normierung gemachten Annäherungen und Annahmen oft nicht aus, um eine korrekte Auslegung und Prüfung zu gewährleisten.

Umwertung Faktor
HB \Leftrightarrow HV HB \approx 0{,}95 HV
HRB \Leftrightarrow HB HRB \approx 176 - \frac{1165}{\sqrt{HB}}
HRC \Leftrightarrow HV HRC \approx 116 - \frac{1500}{\sqrt{HV}}
HV \Leftrightarrow HK HV \approx HK (im Kleinlastbereich)
R_m \approx c HB
Stahl (krz – Fe-Matrix) 3,5
Cu und Cu-Legierung geglüht 5,5
Cu und Cu-Legierung kaltverformt 4,0
Al und Al-Legierung 3,7
Umwertungstabelle[14] für Zugfestigkeit,
Brinell-[15], Rockwell-, Vickershärte
Zugfestigkeit
(für unlegierte und
niedriglegierte Stähle)
Brinellhärte Rockwellhärte Vickershärte
MPa HB HRC HRA HRB HV
68 86 940
67 85 920
66 85 880
65 84 840
64 83 800
63 83 760
62 83 740
61 82 720
60 81 690
59 81 670
2180 618 58 80 650
2105 599 57 80 630
2030 580 56 79 610
1955 561 55 78 590
1880 542 54 78 570
1850 517 53 77 560
1810 523 52 77 550
1740 504 51 76 530
1665 485 50 76 510
1635 473 49 76 500
1595 466 48 75 490
1540 451 47 75 485
1485 437 46 74 460
1420 418 45 73 440
1350 399 43 72 420
1290 380 41 71 400
1250 370 40 71 390
1220 376 39 70 380
1155 342 37 69 360
1095 323 34 68 340
1030 304 32 66 320
965 276 30 65 300
930 276 29 65 105 290
900 266 27 64 104 280
865 257 26 63 102 270
835 247 24 62 101 260
800 238 22 62 100 250
770 228 20 61 98 240
740 219 97 230
705 209 95 220
675 199 94 210
640 190 92 200
610 181 90 190
575 171 87 180
545 162 85 170
510 152 82 160
480 143 79 150
450 133 75 140
415 124 71 130
385 114 67 120
350 105 62 110
320 95 56 100
285 86 48 90
255 76 80

Siehe auch[Bearbeiten]

Weblinks[Bearbeiten]

 Wikiquote: Härte – Zitate
Verschiedene Umrechnungstabellen

Einzelnachweise[Bearbeiten]

  1. Bundesanstalt für Materialprüfung: Mikrohärtemessung.
  2. sinowon.com.cn: Differences of HRA, HRB, HRC
  3. Moderne Schneidstoffe – Einsatzbereich für verschieden harte Werkstoffe (PDF 328,6 kB; S. 4)
  4. Angaben wie HB oder HBS sind laut aktueller Norm nicht mehr zulässig (siehe DIN EN ISO 6506-1:2005 Stand: 03/2006 Kap 4.1 „Formelzeichen und Abkürzungen“)
  5. DIN Deutsches Institut für Normung e.V.: Metallische Werkstoffe - Härteprüfung nach Vickers - Teil 1: Prüfverfahren (PDF; 56 kB)
  6. Railsback’s: Some Fundamentals of Mineralogy and Geochemistry (englisch, PDF 20 kB)
  7. Reifenlexikon – Shore-Härte (englisch)
  8. Härteprüfung - Einführung (PDF 635,6 kB; S. 2).
  9. Härteprüfer für metallische Werkstoffe (PDF 99 kB; S. 1)
  10. Diamanten-Kontor - Die Härte der Edelsteine
  11. a b  Walter Schumann: Edelsteine und Schmucksteine. Alle Arten und Varietäten der Welt. 1600 Einzelstücke. 13. überarbeitete und erweiterte Auflage. BLV Verlags-GmbH., München u. a. 2002, ISBN 3-405-16332-3, S. 20.
  12.  Rudolf Graubner: Lexikon der Geologie, Minerale und Gesteine. Emil Vollmer Verlag GmbH, München 1980, ISBN 3-87876-327-1, S. 158.
  13. Ulrich Lehmann: Paläontologisches Wörterbuch. 4. Auflage. Enke Verlag, Stuttgart, 1996. Seite 213
  14. Gültig für unlegierte und niedriglegierte Stähle. Für Vergütungs-, Kaltarbeits-, Schnellarbeitsstähle sowie für verschiedenen Hartmetallsorten die anderen Tabellen der Norm EN ISO 18265 verwenden. Gerade bei hochlegierten oder kaltverfestigten Stählen sind hohe Abweichungen zu erwarten.
  15. Die Durchmesserangabe bei der Brinellhärte bezieht sich auf eine 10 mm Prüfkugel.