Härte

Definition:

Härte ist der Widerstand,
den ein fester Körper,
dem Eindringen eines anderen
festen Körpers entgegensetzt.

Um die Härte zu messen wurden, je nach Bedarf,
unterschiedliche Härteskalen eingeführt.

Die Mohssche Härteskala (Ritzhärteskala für Minerale),

Mineral	Mohssche Härte
Talk	1
Steinsalz oder Gips	2
Kalzit (Kalkspat)	3
Fluorit (Flußspat)	4
Apatit	5
Orthoklas (Feldspat)	6
Quarz	7
Topas	8
Korund	9
Diamant	10

ist universell einsetzbar.
Ein Mineral mit höherem mohsschen
Härtewert ritzt ein Mineral mit
niedrigerem mohsschen Härtewert.
So können auch Zwischenwerte ermittelt werden.
Magnetit und Chromit haben eine Härte von 5,5.
Hämatit hat eine Härte von 6,5,
Zirkon 7,5 und Chrysoberyll hat 8,5.
Die Angabe von Härtebereichen ist auch üblich.
Beispiel: Türkis, Variszit H 4-5.
Auch eine Feilprobe ist eine Ritzhärteprobe
mit der eine Härtebeurteilung
vorgenommen werden kann.
Eine weitere, universell einsetzbare
und vorwiegend für Werkstoffe verwendete
Härtesskala ist die Vickershärtesskala.
Sie ist für alle Stoffe anwendbar weil
der Prüfkörper aus dem härtesten Material (Diamant) besteht
und die Prüfkräfte der Härte und Dicke,
der zu messenden Werstoffe angepasst werden können.
Die Härteprüfung nach Vickers für metallische Werkstoffe
ist für HV 0,2 bis HV 100 in der DIN 50 133 festgelegt.
Hier wird in Mikrobereich ( < HV 0,2 )
→ Schichthärtenbestimmung,
Kleinlastbereich ( HV 0,2 < HV 5), Prüfkraftaufbringung ≤ 10 s
empfohlen 0,3 bis 8 Sekunden,
→ Härtetiefenbestimmung,
und Makrobereich von HV 5 bis HV 100 Prüfkraftaufbringung in
2-8 Sekunden, empfohlen 5-8 Sekunden,
→ integrale Oberflächenhärte, unterschieden.
HV steht für Härte (engl. Hardness) Vickers,
gefolgt von einer dieser Zahlen:
0,2; 0,3; 0,5; 1; 2; 3; 5; 10; 30; 50 oder 100.
Die Zahl multipliziert mit F = 9,80665 N
(×m [1kg]×g_n [9,80665m/s²]) ergibt die Prüfkraft.
Die Vickershärte wird wie der Druck, Druck- und Zugfestigkeit,
aus Prüfkraft/Eindrucksfläche ermittelt.
Der Prüfkörper hat die Form einer Pyramide
mit quadratischer Grundfläche und einem Winkel zwischen
zwei an der Spitze gegenüberliegenden Dreiecksflächen von 136°.
Unter kontrollierten Bedingungen soll die Prüfkraft
bei 18 °C - 28 °C, 10 s bis 15 s einwirken.
Im Regelfall wird die Prüfung bei 10 °C - 35 °C durchgeführt.
Eine längere Einwirkdauer der Prüfkraft
kann auch vereinbart werden.
Diese muß auf ±2s eingehalten werden und wird
durch einen Schrägstrich getrennt dem Härtewert angehängt.
So bedeuted bei einer fiktiven Härteangabe von 700 HV 10/20,
daß die Prüfkraft 20 s konstant einwirken konnte.
Der Prüfling wird durch den Prüfkörper plasisch verformt
und nach der Wegnahme der Prüfkraft
verbleibt ein im idealfall quadratischer,
meist jedoch rhombischer bzw. rautenförmiger Eindruck,
mit zwei verschieden langen Diagonalen,
die durch die Pyramidenkanten entstanden sind.
Der Winkel zwischen den Pyramidenkanten,
über die Pyramidenspitze beträgt übrigends 148° 7'.
Die Diagonalen werden arithmetisch gemittelt d = ( d₁ + d₂ ) / 2
und der Härtewert aus einer Tabelle ermittelt.
Die Mindestdicke des zu prüfenden Körpers soll ≥ 1,5 · d sein.
Rechnerisch wird der Härtewert aus
HV = 2 · F · sin(136°/2) · g_n^-1 · d^-2
ermittelt.
Beispiel: d₁ = 0,158 mm, d₂ = 0,162 mm,
Prüfkraft = 98,07 N ( HV 10 ).
d = ( 0,158 mm + 0,162 mm ) / 2 = 0,16 mm.
HV = 196,14 N · sin( 68°) · 0,102 · 39,0625 mm ^-2
HV = 196,14 N · 0,92718 · 0,102 · 39,0625 mm ^-2
HV = 724,58682 N/mm², Tabellenwert 724 N/mm^-2.
Härteangabe: 724 HV 10.
Zusammengefasst: 2 · sin(136°/2) · g_n^-1 ≈ 0,1891.
Alternativberechnung: HV = 0,1891 · F / d ²
HV = 0,1891 · 98,07 N / 0,0256 mm ² = 724 HV 10.
Ein Prüfkörper aus Diamant findet auch bei der
Härteprüfung nach Rockwell Verwendung.
Hierbei handelt es sich um einen Kegel,
mit einem Spitzenwinkel von 120 °,
der aber nicht spitz zuläuft,
sondern in einem Radius von 0,2 mm.
Die Härteangabe beinhaltet immer HR
( Härte (engl. Hardness) Rockwell ).
Die Härteprüfung nach Rockwell für metallische Werkstoffe
ist u. A. in der DIN / EN 10 109 ( früher DIN 50 103 ) festgelegt.
Für mich wichtigste Härteskala ist C (engl. Cone → Kegel).
Die Prüfvorkraft F₀ beträgt bei den mit Buchstaben
gekennzeichneten Härteskalen [ A B C D E F G H K ] 98,07 N.
Auf die Rockwellverfahren,
die eine Stahlkugel verwenden,
z.B. HRB, (engl. Ball → Kugel)
gehe ich hier nicht weiter ein.
Bei der Härteprüfung nach Rockwell wird die Härte
über eine bleibende plastische Verformung bzw. deren
Tiefe h [mm] unter verbleibender F₀ ermittelt.
Bei harten Werkstoffen ist diese gering, bei weichen groß.
Die Rockwellskalen A,C und D unterscheiden sich durch
ihre Prüfzusatzkraft F₁ und der sich mit der Prüfvorkraft F₀
ergebenden Prüfgesamtkraft F

Härteskala	F₀	F₁	F	Definierter Bereich
A	98,1 N	490,3 N	588,4 N	20 - 88 HRA
C	98,1 N	1373 N	1471 N	20 - 70 HRC
D	98,1 N	882,6 N	980,7 N	40 - 77 HRD

Die Skalenteilung S von 2µm.
weicht von der Skalenteilung S von 1µm
bei HR15N, HR30N und HR45N ab.

Härteskala	F₀	F₁	F	Definierter Bereich
15N	29,4 N	117,7 N	147,1 N	70 - 94 HR15N
30N	29,4 N	264,8 N	294,2 N	42 - 86 HR30N
45N	29,4 N	411,9 N	441,3 N	20 - 77 HR45N

Rockwellhärte = N - ( h / S ).
Rockwellhärte [ A C D ] = 100 - ( h / 0,002 mm ).
Rockwellhärte [ 15N 30N 45N ] = 100 - ( h / 0,001 mm ).
Beispiel:
Unter Prüfvorkraft F₀ bleibende Eindringtiefe h = 0,08 mm
nach einer Härteprüfung nach HRC ( F₁ = 1373 N ).
100 - ( 0,08 mm / 0,002 mm ) = 60 HRC.
Messung bei 10 °C - 35 °C, besser bei 18 °C - 28 °C.
Prüfvorkraft F₀ → aufbringen und Messuhr auf 0 stellen.
Prüfzusatzkraft F₁ →→ in 2 s - 8 s zusätzlich aufbringen.
Prüfgesamtkraft F →→→ 2 s - 6 s einwirken lassen.
Prüfzusatzkraft F₁ →→ wieder entfernen.
Der unter der Prüfvorkraft F₀ → bleibende
Messuhrenwert gibt direkt die Rockwellhärte an.

Nur für eher weiche Metalle ist das in der DIN / EN 10 003
beschriebene Prüfverfahren nach Brinell geeignet.

Die Härteangabe beinhaltet immer HB
( Härte (engl. Hardness) Brinell ).
Weiterhin folgt HB immer die Prüfkörperangabe
S für gehärtete Stahlkugel (engl. Steel)
mit mindestens 850 HV 10 oder
W für eine Hartmetallkugel mit hauptsächlich Wolframkarbiden.
5 % - 7 % Cobalt, andere Karbide < 2 %,
mit mindestens 1500 HV 10
und einer Dichte von ρ = 14,6 g/cm³ - 15 g/cm³.
Verwendung der Stahlkugel bis HBS 350.
Verwendung der Hartmetallkugel bis HBW 650.
Kugeldurchmesser [ 1mm 2mm 2,5mm 5mm 10mm ]: D
D ist so groß wie möglich zu wählen, am besten Ø = 10 mm.
Beanspruchungsgrad [ 1 2,5 5 10 30 ]: 0,102 · F / D².
Prüfkraft = Beanspruchungsgrad [ N / mm² ]
· Kugeldurchmesser² [ mm² ] / 0,102.
Härteangabe:
Brinellhärte HB[W S] D / Prüfkraftzahl / Einwirkdauer.
Beispiel1: 200 HBW 1/30/20
200 Brinell, gemessen mit Ø 1mm Hartmetallkugel,
Prüfkraftzahl = 30 (kg).
Prüfkraft = 30 kg · 9,80665 m/s² = 294,2 N.
Beispiel: 350 HBS 5/750
350 Brinell, gemessen mit Ø 5mm Stahlkugel,
Prüfkraftzahl = 750 (kg).
Prüfkraft = 750 kg · 9,80665 m/s² = 7355 N.
Auch die Brinellhärte ist wie die Vickershärte
als Prüfkraft / Eindrucksfläche definiert.
Auch hier ist die projezierte Fläche
eher elliptisch als kreisförmig.
Deshalb wird auch hier der mittlere Durchmesser aus
dem grössten und kleinsten Durchmesser ermittelt.
d = ( d₁ + d₂ ) / 2.
Die Prüfkraft soll so gewählt werden,
das 0,24 · D < d < 0,6 · D gilt.
Die Kalottentiefe h [ mm ] = ( D - √(D²-d²) ) / 2.
Die Prüfmaterialstärke s [ mm ] soll s ≥ 8 · h erfüllen.
Die Brinellhärte = 0,102 · 2 · F / (π · D · ( D - √(D²-d²)))
Unter kontrollierten Bedingungen soll die Prüfkraft
bei 18 °C - 28 °C, 10 s bis 15 s einwirken.
Die Prüfkraft soll in 2 s bis 8 s vollständig aufgebracht sein.
Im Regelfall wird die Prüfung bei 10 °C - 35 °C durchgeführt.
Eine längere Einwirkdauer der Prüfkraft
kann auch vereinbart werden.
Diese muß auf ±2s eingehalten werden und wird
durch einen Schrägstrich getrennt dem Härtewert angehängt.
Zu erwänen wäre noch die Härtemessung nach Knoop.
Hier wird im Gegensatz zu Vickers
mit einer rhombischen Pyramide gearbeitet.
Der große Kantenwinkel α = 172 ° 30'.
Der kleine Kantenwinkel β = 130 °.
Durch den großen Kantenwinkel manifestieren sich
Härteunterschiede deutlich in der Längenänderung
der Haupptdiagonalen l. HK = Konstante · F / l².
Die Universalhärteprüfung HU ist eine Mischung
aus Vickers und Rockwell.
Für Kunststoffe gibt es die Härtemessung
durch Kugeleindruckversuch.
Für Elastomere und weiche Thermoplaste
gibt es die Härtemessung nach Shore
Härtemessungen sollen durchgeführt werden,
ohne dass Schwingungen, Erschütterungen
oder gar Stösse
die Messung beeinflussen.
Es ist auch darauf zu achten,
dass ein Messeindruck weit genug vom nächsten
oder vom Werkstückrand entfernt ist
und die Werkstückdicke
für das Messverfahren ausreicht.

Den Härtewerten ist nach
DIN 6773 4.3.3 „Toleranzen und Härtewerte“
eine größtmögliche, jedoch funktionsgerechte
Plus-Toleranz zuzuordnen.

Nennmaße und Mindesttoleranzen sind in
DIN 6773 Tabellen 5 - 10 nachzulesen.

Beispiele:

• für Oberflächenhärten: 58+4 HRC, 650+100 HV10, 350+100 HB.
• für Kernhärten: 300+100 HV10, 350+50 HV1, 350+100 HB.
• für Festigkeiten: R_m=1100+300N/mm², R_p0,2≥600N/mm², A5≥9%.
• für Härtetiefen: Rht=1+1, Eht=0,3+0,2, Nht=0,2+01, Sht=1+1.
• für Aufkohlungstiefen: At_0,35=0,3+0,2 ( 0,35 % C ≈> 550 HV ).
• für Härtebereiche und Härtezonen: 5+5, 10+5, 50+5.
• für Schichtdicken: VS=12µm+6µm, Boridschicht=30µm+30µm.
Härtetiefen werden in abhängigkeit einer Grenzhärte ermittelt.
Die Härte wird i.d.R. vom Werkstückrand zum Werkstückkern
gemessen bis die Grenzhärte erreicht bzw. unterschritten wird.
Die Entfernung der Grenzhärte ( GH ),
im rechten Winkel von der Werkstückoberfläche ermittelt,
wird als je nach Wärmebehandlungsverfahrensart als
Rand-, Einsatz-, Nitrier- oder Schmelzhärtetiefe bezeichnet.
Meist wird die Grenzhärte nicht explizit angegeben,
da die Härtetiefenbezeichnung diese impliziert.
So gilt bei Randschicht- und Schmelzhärtetiefen, welche durch
Flamm-, Induktions-, Laser-, Elektronenstrahl-
und Lichtbogenhärten erreicht werden

Grenzhärte = 0.8 × Oberflächennennhärte

Dies gilt wenn die Bedingung
Grenzhärte ≥ ( Kernhärte + 100 HV ) erfüllt ist.
Beim Einsatzhärten und Karbonitrieren beträgt
die Grenzhärte im Allgemeinen 550 HV1.
Dies gilt wenn in dreifacher Nenneinsatzhärtetiefe
der Härtewert ≤ 450 HV 1 ist. Ansonsten soll auch
hier GH auf 0,8 · Oberflächennennhärte erhöht werden.
Empfohlene Sondergrenzhärten in 25 HV1 - Schritten:
575 HV1, 600 HV1, 625 HV1, 650 HV1, 675 HV1.
In manchen Werksnormen kommen auch Grenzhärten von
500 HV1, 510 HV1, 570 HV3 und 610 HV1 vor.
Beim Einsatzhärten und Karbonitrieren hängt das Verfahren
zur Oberflächenhärtenermittlung mit von der Eht und der
Nennoberflächenhärte ab. Siehe DIN 6773 Tabellen 1 - 3.
Von der Kernhärte hängt die Grenzhärte beim
Nitrocarburieren und Nitrieren ab.

Grenzhärte = Istkernhärte + 50 HV0,5

Die Grenzhärte ist laut DIN 50 190
auf 10 HV0,5 zu runden.
Die Istkernhärte soll aus dem arithmetischen Mittelwert
von 3 Messungen im dreifachen Abstand der
Nennnitrierhärtetiefe ermittelt werden.
Allgemeine Härtetiefenangabe:
[ E N R S ]ht[ GH ][ HV [0,3 - 2(5)]] = [ HT auf 0,05 gerundet] mm.

Beispiele:

Eht 610 = 0,55 mm, Eht 575 HV3 = 0,45 mm.
Nht 300 = 0,2 mm, Nht HV1 =0,15 mm.
Rht 600 = 1,2 mm, Sht HV2 = 1,5 mm.

Eine spezielle Härteverlaufsermittlung ist
der in DIN 50 191 beschriebene
Stirnabschreckversuch ( Jominy - Versuch ).
Hiermit wird die Härtbarkeit von Stahl geprüft.
Eine zylindrische Probe ≈ Ø 25 × 100 mm
wird auf Härtetemperatur gebracht und dann über
einen Wasserstrahl aus 12,5 mm Entfernung,
aus einem innen 12,5 mm durchmessenden Rohr
an der Stirnseite schlagartig abgeschreckt.
Der Wasserstrahl soll
• unter der Stirnfläche eine gleichförmige Glocke bilden.
• ohne Probe (65±10) mm frei steigen (p_e≈ (6,5±1)mbar).
• eine Temperatur von 5 °C bis 30 °C haben.
• mindestens 10 Minuten lang auf die Probe einwirken.
Der Härteverlauf wird mit HRC oder HV30 ermittelt.
Der Abstand der Messungen von der Stirnfläche soll,
im Normalfall,
s = [ 1,5 3 5 7 9 11 13 15 ( 20 25 30 … 100 ) ] mm
betragen.
Bei gering einhärteten Stählen wie C35E oder C45E,
sollen die ersten 11 Meßstellen im 1 mm - Abstand sein.
Weitere Meßstellen bei Bedarf
s = [ 13 15 20 25 30 … 100 ] mm.
Die Härte wird mit J [ HRC-Härte·HRC^-1 ] – [ s · mm^-1 ].
angegeben.
Beispiel für einen Einzelwert: J 40 - 10
bedeuted eine Jominyhärte von 40 HRC
in 10 mm Abstand von der Stirnfläche.
( Früher verwendete Angabe J₁₀ = 40 HRC )
Die einzelnen Härtewerte ergeben eine Härtbarkeitskurve.
Mehrere Härtbarkeitskurven ergeben einen
Härtbarkeitsbereich für den Stahl.
Härtbarkeitsanforderungen an einen Stahl
können über Härtbarkeitsteilbereiche angegeben werden.
Bereiche werden durch die Intervallgrenzen,
durch „ / “ getrennt, angegeben. Beispiele:
J 35/48 - 35 : → 35 … 48 HRC in 15 mm Abstand.
J 45 - 6/18 : → ≥ 45 HRC in 6 … 18 mm Abstand.