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Was ist die Härte eines Materials?
Einfach ausgedrückt bedeutet Härte die Widerstandsfähigkeit eines Materials gegen Oberflächenschäden. Sie misst, wie schwierig es ist, ein Material zu zerkratzen und zu markieren. Es gibt drei Hauptarten der Materialhärte: Eindringhärte, Ritzhärte und Rückprallhärte. Darüber hinaus sind der Mohs-Härtetest, Rockwell, Brinell, Shore und Vickers die fünf gebräuchlichsten Härtegeradskalen.
Härte eines Werkstoffs ist ein Maß für seine Widerstandsfähigkeit gegen mechanisches Eindringen, Eindrücken, Kratzen oder Abrieb.
Härte vs. Festigkeit vs. Zähigkeit
Zunächst muss zwischen diesen drei Eigenschaften unterschieden werden. Die Härte des Materials misst den Oberflächenwiderstand. Die Festigkeit bezieht sich auf die Gesamtlast, die ein Material vor Versagen tragen kann.
Zähigkeit ist die Fähigkeit, Energie zu absorbieren und sich zu verformen, ohne zu brechen. Es bedeutet einfach, dass ein Material wie Glas sehr hart, aber wenig zäh ist, weil es leicht zersplittert.
Die Bedeutung im Ingenieurwesen
Warum ist die Härte eines Materials eine so wichtige Frage? Ingenieure nutzen sie als primären Indikator für die Haltbarkeit. Erstens hilft sie Ihnen natürlich vorherzusagen, wie lange ein Teil abrasiven Verschleiß übersteht. Folglich können Sie die richtigen Materialien auswählen, um die Sicherheit und Langlebigkeit mechanischer Systeme zu gewährleisten.
Die grundlegenden Härtearten
Ursprünglich identifizierten Wissenschaftler drei Möglichkeiten, die Härte von Materialien zu definieren.
Eindruckhärte
Dies ist die gebräuchlichste Form. Sie misst den Widerstand gegen dauerhafte Formänderung durch eine konstante Druckbelastung.
Ritzhärte
Dies identifiziert, wie gut eine Oberfläche der Reibung und schmalen, kontinuierlichen Eindrücken widersteht. Dies beschreibt oft nur die lineare Verschleißfestigkeit.
Rückpralldrehfestigkeit
Dies misst die elastische Energieaufnahme. Sie messen die Höhe des “Sprungs”, wenn ein Eindringkörper auf die Oberfläche trifft.
Primäre Härteprüfungsverfahren
Es gibt keine einzelne Härteskala wie ein Meter oder ein Gramm. Stattdessen werden verschiedene Skalen verwendet, die auf dem spezifischen Vickers-Härteprüfung oder Rockwell-Härteprüfung.
Rockwell-Härteprüfung
Dieser Test nutzt das Prinzip der differentiellen Tiefe. Zuerst müssen Sie eine geringe Last anwenden, um den Nullpunkt einzustellen. Dann sollten Sie eine große Last anwenden. Die Maschine misst die Eindringtiefe. Sie werden verschiedene Skalen wie HRA, HRB und HRC für Stähle und Kunststoffe verwenden.
Brinell-Härteprüfung
Beginnend mit groben Materialien wie Castings, Sie verwenden einen Stahl- oder Hartmetall-Kugelstößel mit 10 mm. Da die Kugel groß ist, mittelt sie die Härte eines Materials über eine größere Fläche aus.
Vickers-Härteprüfung
Die Vickers-Härteprüfung verwendet einen diamantpyramidenförmigen Eindringkörper mit einem Winkel von 136°. Da Diamant das härteste bekannte Material ist, können Sie damit fast jedes Material auf seine Härte prüfen. Das Ergebnis wird als Härte HV oder Vickers-Härte ausgedrückt.
Dann misst man mit einem Mikroskop die Diagonale des Eindrucks. Der Vickers-Härtetest bleibt die “universelle” Skala in der Materialwissenschaft.
Knoop-Härteprüfung
Für sehr dünne Beschichtungen oder spröde Keramiken verwenden Sie den Knoop-Härteprüfer. Er verwendet einen länglichen Diamant-Eindringkörper. Dies geschieht, wenn das Material zu zerbrechlich für die Standard-Vickers-Härtepyramide ist.
Mohs'sche Härteskala
Dies ist eine qualitative Rangliste von 1-10. Ursprünglich half sie Geologen bei der Identifizierung von Mineralien. Diamant steht bei 10, während Talk bei 1 steht. Beachten Sie, dass diese Skala immer die Kratzfestigkeit und nicht die Eindringfestigkeit misst.
Leeb Rückprall und Shore Scleroskop
Wenn man mit großen Teilen arbeitet, die nicht in ein Labor passen, verwendet man dynamische Schlagprüfungen. Man kann dann den “Rückprall” eines Hammers nutzen, um die Härtedefinition direkt vor Ort zu berechnen.
Materialhärtetabelle
Wenn Sie eine Materialhärtetabelle betrachten, sehen Sie, wie sich verschiedene Substanzen vergleichen lassen. Abgesehen von der Mohs-Skala für Mineralien helfen Ihnen diese Tabellen somit, Werte zwischen Rockwell- und Vickers-Härte umzurechnen.
Materialbeispiel | Vickers | Brinell | Rockwell C | Rockwell B | Mohs-Härteskala |
Diamant | 10,000+ | — | — | — | 10 |
Wolframkarbid | 1,400 – 1,900 | 700+ | 75 – 85 | — | 9 |
Werkzeugstahl gehärtet | 700 – 900 | 650 – 750 | 60 – 68 | — | 7 – 8 |
Einsatzstahl | 500 – 700 | 475 – 600 | 50 – 58 | — | 6 – 7 |
Weichstahl | 140 – 160 | 130 – 150 | — | 75 – 85 | 4 – 5 |
Kupferlegierungen / Messing | 80 – 120 | 70 – 110 | — | 40 – 60 | 3 |
Aluminiumlegierungen | 30 – 50 | 25 – 45 | — | 10 – 25 | 2 – 3 |
Blei | 5 – 10 | 4 – 8 | — | — | 1.5 |
Welche Faktoren beeinflussen die Materialhärte?
Gefüge und Korngröße
Die Hall-Petch-Beziehung besagt, dass feinere Körner zu höherer Härte führen. Danach erkennt man, dass Korngrenzen als Hindernisse für die Bewegung wirken. Darüber hinaus machen kleinere Körner die Härte des Materials viel gleichmäßiger.
Chemische Zusammensetzung
Die Rolle von Legierungselementen ist immens. Erstens erzeugt Kohlenstoff in Stahl innere Spannungen, die das atomare Gleiten blockieren. Hinzufügen von Chrom oder Wolfram erhöht wiederum die Materialeigenschaft Härte von speziellen Werkzeugstählen.
Wärmebehandlungsverfahren
Dieser Prozess beginnt mit Härten und Anlassen: Sie erhitzen das Metall und kühlen es schnell ab, um seine Phase in Martensit umzuwandeln. Dies erzeugt die maximale Härte eines Materials.
Der nächste Prozess ist das Glühen. Bei diesem Prozess wird das Metall zum Zerspanen erweicht. Das Glühen beinhaltet ein langsames Abkühlen, um innere Spannungen zu reduzieren.
Kaltverfestigung
Später, wenn Sie ein Metall während der Herstellung physikalisch verformen, wird es härter. Nach ein paar Biegungen oder Walzvorgängen verheddern sich die inneren Versetzungen. Abgesehen vom Anfangszustand verändert der Herstellungsprozess also selbst die Härte des Materials.
Oberflächenhärtungsverfahren
Sie sollten generell vermeiden, das gesamte Teil zu härten, wenn Sie es flexibel benötigen. Es gibt zwei Haupttechniken dafür.
Aufkohlen und Nitrieren
Aufkohlen und Nitrieren waren die gängigsten Methoden für industrielle Stähle. Dabei diffundiert man bei hoher Hitze Kohlenstoff oder Stickstoff in die Oberflächenschicht. Ziel ist es, eine chemische Umwandlung zu erzeugen.
Infolgedessen erstellen Sie eine Härtung, die deutlich härter ist als das ursprüngliche Grundmetall. Anschließend wenden Sie ein schnelles Abschrecken an, um die neue kristalline Struktur zu fixieren.
Hartanodisieren
Bei Aluminiumlegierungen verwenden Sie ein anderes Verfahren, das als Harteloxieren bezeichnet wird. Dies ist ein elektrochemischer Prozess, der verwendet wird, um eine dicke, integrierte Oxidschicht zu erzeugen. Stellen Sie sicher, dass Sie die Tiefe dieser Schicht mit einem Mikrohärteprüfung überprüfen. Ziel ist die Gewährleistung einer langfristigen Verschleißfestigkeit.
Denn das Letzte, was Sie tun möchten, ist, ein Teil zu installieren, das nach nur wenigen Wochen Reibung seine Schutzschale verliert.
Einschränkungen und Überlegungen beim Testen
Probenstärke und Oberflächengüte
Sie möchten sicherstellen, dass Ihre Probe dick genug ist. Wenn das Metall zu dünn ist, trifft der Eindringkörper auf den Amboss darunter. Dies ruiniert Ihre Daten zu den Materialeigenschaften für die Härte. Wie bei fast allen Prüfungen führt eine raue Oberflächenbeschaffenheit zu ungenauen Diagonalmessungen bei einer Vickershärteprüfung.
Herausforderungen bei der Skalenumwandlung
Sie finden eine Härteskala, die Rockwell in Vickers umwandelt. Gehen Sie damit vorsichtig um. Umrechnungen sind oft Schätzungen. Ohne die spezifische Prüfung für das jeweilige Material kann kein genauer Wert ermittelt werden.
Umweltauswirkungen
Nun, all das gesagt, spielt die Temperatur eine Rolle. Hohe Hitze kann ein Material während der Prüfung erweichen. Sie sollten dies berücksichtigen, indem Sie die Prüfung bei der tatsächlichen Betriebstemperatur des Teils durchführen.
Schlussfolgerung
Was ist Materialhärte anderes als ein berechneter Widerstand gegen die Welt um ihn herum? Härte ist keine fundamentale Konstante; sie ist das Ergebnis spezifischer Prüfmethoden wie der Vickers-Härteskala. Indem du verstehst, wie man die Härte von Materialien definiert, und eine Materialhärtetabelle verwendest, kannst du das perfekte Material auswählen.
FAQs
Was bedeutet Härte bei Werkstoffen?
Es bedeutet, wie gut ein Feststoff sich vor Eindrücken schützen kann. Es ist eine Möglichkeit zu messen, ob eine Oberfläche hart oder weich ist, wenn etwas darauf drückt.
Was bedeutet 70 Shore-Härte?
Das ist ein Härtegrad für weiche Materialien wie Gummi. Ein 70er Wert ist mittelhart. Es fühlt sich sehr ähnlich an wie das Gummi eines Autoreifens oder die Unterseite eines Schuhs.
Für Materialien mit einer Härte von 50° HRC sollten Sie Hartmetallwerkzeuge (Karbidwerkzeuge) verwenden. Je nach Bearbeitungsoperation und spezifischem Material können auch Werkzeuge aus Schnellarbeitsstahl (HSS) mit Hartmetallbeschichtung oder Keramikwerkzeuge in Betracht gezogen werden.
Für Materialien dieser hohen Härte empfehlen wir dringend die Verwendung von Sundi S650 Schaftfräser. Diese Hartmetallfräser besitzen eine hervorragende Härte und Verschleißfestigkeit, was sie für die Bearbeitung von Stahl mit HRC 50° außergewöhnlich gut geeignet macht. Sie gewährleisten effiziente und präzise Schnittergebnisse.
Wie misst man die Materialhärte?
Du drückst ein Werkzeug in das Metall und siehst, wie groß die Delle ist. Du nimmst das Gewicht, das du verwendet hast, und teilst es durch die Größe der Delle, um den Wert zu erhalten.
