Was ist die Härte eines Werkstoffs?

Härte beschreibt den Widerstand gegen örtliche Verformung, etwa Eindrücken oder Ritzen; sie ist nicht Zähigkeit. Eindring-, Ritz- und Rückprallverfahren messen unterschiedliche Reaktionen. Zu den üblichen Verfahren gehören Rockwell, Brinell, Vickers, die Mohs-Ritzprüfung und Shore-Durometerprüfungen. Verfahren und Skala stets angeben.

Härte misst den Widerstand gegen örtliche Verformung. Werkstofffestigkeit wird als Spannung angegeben, etwa Streckgrenze oder Zugfestigkeit, nicht als gesamte Traglast eines Bauteils; die Tragfähigkeit hängt auch von der Geometrie ab.

Zähigkeit ist die Fähigkeit, Energie aufzunehmen und sich zu verformen, ohne zu brechen. Glas kann beispielsweise sehr hart sein, besitzt aber eine geringe Zähigkeit und zersplittert leicht.

Härte ist für Werkstoffauswahl und Qualitätskontrolle nützlich, sagt aber allein weder Verschleißlebensdauer voraus noch garantiert sie Bauteilsicherheit. Dauerhaftigkeit anhand von Werkstoff, Belastung, Verschleißmechanismus und Einsatzumgebung beurteilen und durch anwendungsbezogene Prüfungen absichern.

Übliche Ansätze untersuchen Eindring-, Ritz- oder Rückprallhärte. Jeder beschreibt eine durch ein bestimmtes Prüfverfahren gemessene Reaktion.

Eindringhärte misst den Widerstand gegen örtliche bleibende Verformung unter einem Eindringkörper. Das Prüfverfahren legt Eindringkörper, Kraftfolge sowie Belastungs- und Haltebedingungen fest.

Ritzhärte beschreibt den Widerstand gegen Oberflächenverformung durch eine bewegte Prüfspitze unter festgelegten Bedingungen. Sie unterscheidet sich vom Reibungskoeffizienten und bestimmt keine allgemeine Verschleißrate unmittelbar.

Rückprallhärte bewertet die Reaktion auf einen definierten Stoß. Die Messgröße hängt vom Verfahren ab: Leeb verwendet Rückprall- und Aufprallgeschwindigkeit. Daher darf Rückprallhärte nicht generell als Rücksprunghöhe oder Energieaufnahme beschrieben werden.

Es gibt keine einheitliche Härteeinheit wie Meter oder Gramm. Stattdessen werden verschiedene Skalen verwendet, abhängig vom jeweiligen Verfahren, etwa der Vickers-Härteprüfung oder Rockwell-Methode.

Die Rockwell-Prüfung misst die bleibende Zunahme der Eindringtiefe nach Wegnahme der zusätzlichen Prüfkraft bei weiterhin wirkender Vorprüfkraft. Eindringkörper und Kraft nach der geforderten Skala auswählen. Für Metalle und Kunststoffe gelten unterschiedliche Verfahren; HRA, HRB oder HRC nicht wahllos auf Kunststoffe anwenden.

Die moderne genormte Brinell-Prüfung verwendet eine Hartmetallkugel auf Wolframkarbidbasis. Bei grobstrukturierten Werkstoffen wie Gussteilen kann ein größerer Eindruck mehr Gefügebestandteile erfassen. Kugeldurchmesser umfassen 1, 2.5, 5 und 10 mm; Durchmesser und Kraft passend zu Probe und Verfahren auswählen.

Das Vickers-Verfahren verwendet eine Diamantpyramide mit einem Winkel von 136° zwischen gegenüberliegenden Flächen. Bei geeigneter Probenpräparation, Dicke und Prüfkraft deckt es einen breiten Härtebereich ab. Das Ergebnis als HV mit der erforderlichen Prüfkraftangabe angeben.

Beide Eindruckdiagonalen optisch messen und ihren Mittelwert zusammen mit der Prüfkraft zur Berechnung von HV verwenden. Geeignete Probenpräparation und Prüfbedingungen wählen; Vickers ist breit anwendbar, ersetzt aber nicht universell jedes Härteprüfverfahren.

Die Knoop-Prüfung erzeugt einen langgezogenen, flachen Eindruck und kann für dünne Schichten und spröde Werkstoffe nützlich sein. Kraft und Probenpräparation sorgfältig wählen und bei Beschichtungen Substrateinflüsse beachten. Sie ist nicht auf Fälle beschränkt, in denen Vickers unmöglich ist.

Dies ist eine qualitative Rangfolge von 1-10, ursprünglich zur Mineralbestimmung. Diamant liegt bei 10, Talk bei 1. Die Skala beschreibt Ritzwiderstand, nicht Eindringhärte.

Die Leeb-Prüfung ermittelt die Härte aus dem Verhältnis von Rückprall- zu Aufprallgeschwindigkeit und kann für geeignete große Metallteile nützlich sein. Anforderungen an Masse, Auflage, Oberfläche und Stoßrichtung beachten. Die Rückprallprüfung mit dem Shore-Skleroskop unterscheidet sich von der Shore-Durometer-Eindringprüfung für Gummi und Kunststoffe.

Eine Härtetabelle muss Prüfskala und Werkstoffzustand angeben. Umwertungen zwischen Rockwell und Vickers sind Näherungen und gelten nur für die Werkstoffgruppen und Bereiche der jeweiligen Umwertungsreferenz. Mohs-Rangwerte lassen sich nicht allgemein in Eindringhärte umrechnen.

Referenzen: Härteprüfung bei Struers Umwertungsgrenzen nach ASTM E140

Vickers-Prüfung bei Struers Brinell-Prüfung bei Struers Mohs-Skala des USGS

Bei vielen polykristallinen Metallen erhöht Kornfeinung im gültigen Hall-Petch-Bereich die Streckgrenze und oft die Härte. Korngrenzen behindern die Versetzungsbewegung. Diese Beziehung gilt nicht universell, und kleinere Körner allein garantieren keine gleichmäßige Härte.

Legieren kann die Härte durch Änderung des Widerstands gegen Versetzungsbewegung und des entstehenden Gefüges beeinflussen. Mischkristall- und Teilchenverfestigung sind mögliche Mechanismen. Das Ergebnis hängt von Zusammensetzung und Verarbeitung ab; ein Legierungselement erhöht die Härte nicht automatisch.

Bei geeigneten Stählen kann Austenitisieren mit anschließend ausreichend raschem Abschrecken Martensit erzeugen. Anlassen stellt danach das Verhältnis von Härte und Zähigkeit ein. Dies ist kein allgemeiner Härtungsmechanismus für alle Metalle.

Glühen kann geeignete Werkstoffe erweichen und Spannungen abbauen; der Heiz- und Kühlzyklus hängt jedoch von Legierung und Ziel ab. Es folgt nicht automatisch auf Härten und Anlassen.

Plastische Kaltumformung kann viele Metalle härten, da sich Versetzungen vermehren und gegenseitig behindern. Rein elastisches Biegen erzeugt diese Kaltverfestigung nicht. Die Endhärte hängt von Verformungs- und Temperaturverlauf ab.

Benötigt ein Bauteil eine harte Oberfläche und einen zähen Kern, kann ein geeignetes Randschichthärteverfahren sinnvoll sein. Nach Stahlsorte, geforderten Randschichteigenschaften und Einsatzbedingungen auswählen. Die folgenden Abschnitte erläutern Beispiele für Oberflächenbehandlungen.

Aufkohlen und Nitrieren sind übliche Randschichthärteverfahren für geeignete Stähle. Aufkohlen bringt Kohlenstoff in die Oberfläche ein, Nitrieren Stickstoff. Temperaturen, Werkstoffanforderungen und Folgebehandlungen unterscheiden sich; beide dürfen nicht als gleicher Wärmebehandlungszyklus gelten.

Aufgekohlter Stahl wird üblicherweise anschließend durch Abschrecken gehärtet und nach Vorgabe angelassen. Konventionelles Nitrieren bildet durch Stickstoffdiffusion und Nitridbildung eine harte Randschicht und erfordert kein anschließendes Härteabschrecken. Nicht für beide Verfahren dieselbe Nachbehandlung vorschreiben.

Hartanodisieren bildet auf geeigneten Aluminiumlegierungen eine Oxidschicht. Ihre Dicke mit einem geeigneten Schichtdickenverfahren messen, etwa Wirbelstrommessung oder präpariertem Querschliff. Mikrohärteprüfung bewertet Härte, nicht Schichtdicke; Verschleißverhalten separat anhand der Spezifikation beurteilen.

Denn die Schutzschicht eines Bauteils sollte nicht schon nach wenigen Wochen Reibungsbeanspruchung verloren gehen.

Probendicke und Prüfkraft passend zum Verfahren wählen. Eine dünne Probe oder Beschichtung kann bereits durch Auflage oder Substrat beeinflusst werden, bevor der Eindringkörper diese tatsächlich erreicht. Für Vickers eine Oberfläche präparieren, auf der beide Eindruckdiagonalen zuverlässig messbar sind.

Härtevergleichstabellen können Rockwell- und Vickers-Werte gegenüberstellen. Verwenden Sie sie mit Vorsicht: Umwertungen sind häufig Näherungen. Für einen verlässlichen Wert ist die für den Werkstoff geforderte Prüfung durchzuführen.

Temperatur kann Härtemessungen beeinflussen. Die Bedingungen des gewählten Verfahrens einhalten und dokumentieren. Falls Warmhärtedaten benötigt werden, ein geeignetes Hochtemperaturverfahren mit kontrolliertem Proben- und Eindringkörperzustand verwenden, statt ein heißes Teil einfach nach einem Raumtemperaturverfahren zu prüfen.

Härte beschreibt eine unter festgelegten Prüfbedingungen gemessene Werkstoffreaktion. Bei Vergleichen Verfahren und Bedingungen dokumentieren. Für die Werkstoffwahl Härte zusammen mit weiteren relevanten Eigenschaften und Einsatzanforderungen betrachten; eine Härtetabelle allein bestimmt keine perfekte Wahl.

Härte kennzeichnet den Widerstand gegen örtliches Eindrücken oder Ritzen in einer festgelegten Prüfung. Sie misst für sich allein weder Zähigkeit noch Bruchwiderstand.

Ein Wert von 70 ist ohne Angabe der Shore-Skala unvollständig. Beispielsweise bezeichnen 70 Shore A und 70 Shore D unterschiedliche Prüfungen und dürfen nicht als gleiche Härte gelten. Skala und Prüfbedingungen angeben, statt ein allgemeines gummiähnliches Tastgefühl zuzuordnen.

Für Stahl mit 50 HRC Werkzeuge auswählen, die für Stahlsorte, Bearbeitung und Maschinenaufbau qualifiziert sind. Wird der Sundi S650-Schaftfräser in Betracht gezogen, Einsatzbereich und Schnittdaten beim Lieferanten bestätigen. Hartmetall-Schaftfräser sind nicht beliebig austauschbar; Sorte, Beschichtung, Schneidengeometrie, Steifigkeit und Einsatzbedingungen bestimmen das Ergebnis.

Es gibt keine universelle Härteformel. Vickers verwendet Prüfkraft und gemessene Eindruckdiagonalen, Rockwell eine Tiefendifferenz. Härte nach dem gewählten Verfahren und der Skala berechnen und angeben, statt Gewicht durch eine allgemeine Lochgröße zu teilen.