Upload
vukien
View
216
Download
2
Embed Size (px)
Citation preview
Laborskript für WP-3 WS 13/14
Härteprüfung
Seite 1
Härteprüfung
1) Allgemeine Grundlagen:
Definition:
„Die Härte einer Werkstoffoberfläche ist das Maß für den Widerstand der einem eindringenden
Körper entgegengesetzt wird.“
Die Härte ist keine physikalische Größe, sondern eine Kennzahl. Sie ist abhängig vom Bau des
Gitters, von der Wärmebehandlung, der Kaltverformung und der Art der Bindungskräfte. So ist es
möglich durch Härteprüfungen Rückschlüsse auf den Festigkeitszustand zu ziehen. Da das
Eindringverhalten von der Gestalt und der Eigenhärte des anderen Körpers sowie von der Art und
Größe der Belastung abhängig ist, muss bei der zahlenmäßigen Angabe von Härtewerten immer
das Härteprüfverfahren genannt werden.
Die Härte kann nach folgenden grundsätzlichen Möglichkeiten ermittelt werden:
• Ritzen der Oberfläche
• Eindringen eines Prüfkörpers unter statischer Belastung
• Eindringen eines Prüfkörpers unter dynamischer Belastung
Technische Bedeutung im Maschinenbau haben nur die Verfahren mit statischer Belastung. Die
Härteprüfung liefert schnelle und bedingt zerstörungsfreie Werte für die statische Festigkeit und
für das Verschleißverhalten der Werkstoffe.
2) Anwendungen:
Zu den wichtigsten Aufgaben der Werkstoffprüfungen zählen, die Sicherung der Qualität, die
Untersuchung von Schäden und die Ermittlung von Werkstoffeigenschaften. In der industriellen
Fertigung werden Härteprüfungen häufig zur Kontrolle der Gleichmäßigkeit von
Wärmebehandlungen eingesetzt.
3) Messprinzip:
Bei den statischen Verfahren wird die Prüfkraft stoß frei aufgebracht und wirkt auf die Probe eine
vorbestimmte Zeit ruhend ein.
Nach dem Entlasten wird der Härtewert ermittelt, dies beruht auf zwei Verfahren:
1) Die Fläche des Prüfkörpers wird gemessen und daraus die Härte berechnet
2) Die Eindringtiefe wird gemessen und in die entsprechende Härte umgerechnet.
Wichtig: Die Härtewerte werden als Zahlenwerte ohne Einheit angegeben. Unbedingt muss bei
den Härtewerten das Prüfverfahren angeben werden.
Laborskript für WP-3 WS 13/14
Härteprüfung
Seite 2
Die Härteprüfungen werden an glatten und ebenen Oberflächen, die frei von Zunder,
Fremdkörpern und Schmierstoffen sein müssen, vorgenommen. Die Oberflächenvorbereitung
muss gewährleisten, dass Veränderungen an der Oberfläche, z.B. durch Erwärmen oder
Kaltverformung auf ein Minimum beschränkt bleiben.
Fehler bei der Härtemessung:
• Stoffbedingte Fehler:
Die Ursache liegt im Prüfobjekt während des Eindringvorgangs. Werden durch eine
unregelmäßige Struktur, Oberflächenbeschaffenheit, sowie das Fließ- und
Verfestigungsverhaltens während des Eindringens hervorgerufen.
Der Prüfer hat keinen Einfluss.
• Gerätebedingte Fehler:
ungenaue Prüfkraft Aufbringung, Mängel an der Auswerteeinrichtung oder
Formabweichung des Eindringkörpers.
Regelmäßige Überprüfung/ Kalibrieren verhindert den Fehler
• Versuchsbedingter Fehler:
nicht Beachtung der Vorschrift, falsche Wahl des Prüfverfahrens oder dessen
Durchführung.
Ausschließlich hat der Prüfer Einfluss. Schulungen verringern den Fehler
• Ablese,-Beobachtungs-, und Auswertefehler:
Messschieber falsch abgelesen oder nicht richtig angelegt, Parallaxefehler beim ablesen
Nachlässigkeit des Prüfers. Menschliches Sehvermögen
4) Versuchsdurchführung:
Die Probe muss auf einer starren Aufnahmevorrichtung liegen. Die Flächen müssen sauber und
frei von Fremdkörpern sein. Es ist wichtig, dass die Probe fest auf der Aufnahmevorrichtung liegt,
damit sie sich während des Prüfvorganges nicht verschieben kann.
Der Eindringkörper ist auf die Prüffläche aufzusetzen und die Prüfkraft stoß- und
erschütterungsfrei senkrecht zur Oberfläche aufzubringen, bis die aufgebrachte Kraft den
vorgegebenen Wert erreicht hat.
5) Aufgabenstellung:
Führen Sie drei verschiedene Härteprüfverfahren (Brinell, Vickers und Rockwell - C) an 5
Stahlproben (S235) mit unterschiedlichen Wärmebehandlungen durch.
Laborskript für WP-3 WS 13/14
Härteprüfung
Seite 4
Formel und Benennung: Formelzeichen: Einheit:
Durchmesser der Kugel D mm
Prüfkraft F N
Mittlerer Durchmesser des Eindrucks
� =�� − ��
2
d mm
Durchmesser des Eindrucks, gemessen um 90° d1 , d2 mm
Eindruckfläche
� = � ∗ ℎ ∗ �
A mm2
Eindrucktiefe
ℎ =(� − �� − ��)
2
h mm
Brinell-Härte
��� = ��������� ∗��ü������
����� !��"ä!ℎ�
Konstante: Umrechnungsfaktor von N in kp
≈ 0,102
HBW -
Beanspruchungsgrad
= 0,102 ∗'��
())�
Tabelle 1: Formeln und Bezeichnungen
Die Brinell-Härte wird durch das Kurzzeichen HBW angegeben. Früher wurde das Kreuzzeichen HB
oder HBS verwendet.
Vor dem Symbol HBW wird der Härtewert angegeben. Hinter diesem Wert werden die
Prüfbedingungen in folgender Reihenfolge vermerkt:
1) Kugeldurchmesser in mm
2) Eine Zahl, die die Prüfkraft angibt (Tab. 2)
3) Einwirkdauer der Prüfkraft in s.
Die Einwirkdauer wird nur dann angegeben, wenn sie von der vorgebebenen Zeit abweicht.
z.B.: 600 HBW 1/30/20
Brinell-Härte 600 / Kugelduchmesser 1mm / Prüfkraft 294,2 N / Einwirkzeit 20s
Laborskript für WP-3 WS 13/14
Härteprüfung
Seite 6
Aufgabe:
Zeigen Sie vor Beginn des Versuches die Formel zur Berechnung der Brinell-Härte.
Es werden 5 Stahlproben mit unterschiedlicher Wärmebehandlung gemessen. Die Proben wurden
zwischen 100 - 500°C wärmebehandelt.
Überlegen Sie, welche Auswirkungen die verschiedenen Temperaruten auf die Härte haben
könnten.
Laborskript für WP-3 WS 13/14
Härteprüfung
Seite 9
Auszug aus DIN EN ISO 6507
„Der Abstand des Mittelpunktes jedes Prüfeindruckes vom Rand der Probe muss für Werkstoffe
wie Stahl, Kupfer und Kupferlegierungen mindestens das Zweieinhalbfache der mittleren
Diagonallänge und für Werkstoffe wie Leichtmetalle, Blei, Zinn und deren Legierungen mindestens
das Dreifache der mittleren Diagonallänge betragen.
Der Abstand der Mittelpunkte zweier nebeneinanderliegender Prüfeindrücke muss für Werkstoffe
wie Stahl, Kupfer und Kupferlegierungen mindestens das Dreifache der mittleren Diagonallänge
und für Werkstoffe wie Leichtmetalle, Blei, Zinn und deren Legierungen mindestens das
Sechsfache der mittleren Diagonallänge betragen. Wenn zwei nebeneinanderliegende
Prüfeindrücke sich in ihrer Größe unterscheiden, dann muss der Mindestabstand auf der
Grundlage der mittleren Diagonallänge des größeren Prüfeindruckes bestimmt werden.“
Aufgabe:
Zeigen Sie vor Beginn des Versuches die Formel zur Berechnung der Vickers-Härte.
Es werden 5 Stahlproben mit unterschiedlicher Wärmebehandlung gemessen. Die Proben wurden
zwischen 100 - 500°C wärmebehandelt.
Überlegen Sie, welche Auswirkungen die verschiedenen Temperaruten auf die Härte haben
könnten.
Laborskript für WP-3 WS 13/14
Härteprüfung
Seite 11
Die Rockwell-Härte wird durch das Kurzzeichen HR angegeben.
Bei diesem Kurzzeichen wird das Prüfverfahren direkt dahinter angegeben, je nach Härteskala. Bei
Verwendung der Härteskala C wird als Kurzzeichen HRC geschrieben.
Der ermittelte Härtewert wird vor dem Kurzzeichen angegeben.
z.B.: 62 HRC
Rockwell –C Härte 62
Härte-
skala
Kurzzeichen
für die Härte
Eindring-körper Prüfvor-
kraft F0 [N]
Prüfzusatz-
kraft F1 [N]
Prüfgesamt-
kraft F [N]
Anwendungs-
bereich
A HRA Diamantkegel 98,07 490,3 558,4 20-88 HRA
C HRC Diamantkegel 98,07 1373 1471 20-70 HRC
D HRD Diamantkegel 98,07 882,6 980,7 40-77 HRD
Tabelle 6: Härteskala
Versuchsdurchführung:
Für diesen Versuch wird an der Härtemaschine eine Prüflast von 150 kg eingestellt. Die
Einwirkdauer beträgt 2-6 s. Der Härtewert kann direkt an der äußeren Skala abgelesen werden.
Auszug aus DIN EN ISO 6508
„Der Abstand der Mittelpunkte zweier nebeneinanderliegender Prüfeindrücke muss mindestens
das Vierfache des Eindruckdurchmessers betragen (aber nicht weniger als 2 mm).
Der Abstand des Mittelpunktes jedes Prüfeindrucks vom Rand der Probe muss mindestens das
Zweieinhalbfache des Eindruckdurchmessers betragen (aber nicht weniger als 1 mm).“
Laborskript für WP-3 WS 13/14
Härteprüfung
Seite 12
Aufgabe:
Es werden 5 Stahlproben mit unterschiedlicher Wärmebehandlung gemessen. Die Proben wurden
zwischen 100 - 500°C wärmebehandelt.
Überlegen Sie, welche Auswirkungen die verschiedenen Temperaruten auf die Härte haben
könnten.
Verfahren Brinell Vickers Rockwell C
Eindringkörper Stahlkugel Diamantpyramide
quadratisch, 136°
Diamantkegel 120°
Kurzzeichen HBW HV HRC
Anwendungsbereich Alle Werkstoffe bis
600 HBW
Alle Werkstoffe Harte Werkstoffe
Anwendungsgrenzen bis 600 HBW beliebig 20 – 70 HRC
Krafteinwirkdauer 10-15 s 10-15 s 2-6 s
Auswertung Eindruckfläche
messen und Härte
berechnen
Eindruckfläche
messen und Härte
berechnen
Eindruckteife messen
und Härtewert direkt
ablesen
Tabelle 7: Gegenüberstellung der Verfahren
Versuchsablauf:
1) Rockwell-C
Zu jeder Probe werden jeweils zwei Messwerte aufgenommen. Liegen die beiden Werte
innerhalb der normierten Toleranz von ± 1,5 HRC, kann die nächste Probe vorgenommen
werden. Liegen die Werte außerhalb des Bereiches muss die Probe nochmals gemessen
werden.
2) Brinell
Pro Probe werden jeweils 2 Prüfungen durchgeführt. Aus den ermittelten Durchmesser, wird
der Mittelwert und die Härte berechnet.
3) Vickers
Pro Probe werden jeweils 2 Prüfungen durchgeführt. Aus den ermittelten Durchmesser, wird
der Mittelwert und die Härte berechnet.
Aufgaben für WP-3 WS 13/14
Härteprüfung
Aufgabenstellung
1) Stellen Sie Ihre Ergebnisse (Messwerte und berechnete Härtewerte) der einzelnen
Härteprüfverfahren (BRINELL,VICKERS, ROCKWELL-C) tabellarisch dar. Die handschriftlich
aufgenommenen Werte, sowie die Theoriefragen, sind dem Messbericht beizufügen.
2) Erstellen Sie auf einem separaten Blatt (DIN A4) ein Diagramm für Aufgabenstellung 1 (HB
über HRC). Welcher Verlauf ist erkennbar?
Erstellen Sie auf einem separaten Blatt (DIN A4) ein Diagramm für Aufgabenstellung 1 (HV
über HRC). Welcher Verlauf ist erkennbar?
Erstellen Sie auf einem separaten Blatt (DIN A4) ein Diagramm für Aufgabenstellung 1 (HB
über HV). Welcher Verlauf ist erkennbar?
3) Was bedeutet der Faktor 0,102 bei BRINELL und VICKERS?
4) Beschreiben Sie den Messvorgang bei ROCKWELL-C! Welchen Zweck hat die Prüfvorkraft bei
ROCKWELL-C?
5) Bei welcher absoluten Eindringtiefe ist die Härte HRC = 0 vorhanden? Welchen
Härtehöchstwert gibt es bei der Härteskala HRC?
6) Wie groß müssen die Eindruckabstände bei ROCKWELL-C und bei VICKERS sein, wenn eine
normgerechte Prüfung durchgeführt werden soll? Was kann passieren, wenn der
Prüfabdruck zu nah am Rand bzw. zu nah an einem anderen Prüfabdruck ist?
7) Was bedeuten die Eindring- und die Einwirkdauer bei den Härteprüfverfahren?
8) Worin liegen die wesentlichen Unterschiede zwischen den Verfahren nach VICKERS bzw.
BRINELL und ROCKWELL?
9) Nennen Sie Vor- und Nachteile von BRINELL.