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Kurzzusammenfassung zum Thema Hrteprfung an metallischen Werkstoffen

Inhaltsverzeichnis 1. Einleitung .............................................................................................................. 2

1.1 Definition Hrte................................................................................................... 2

1.2 Einflsse auf die Hrte eines Werkstoffs ......................................................... 2

1.3 Festigkeit, Zhigkeit und Elastizittsmodul in Bezug zur Hrte..................... 3

1.3.1 Definition Festigkeit ........................................................................................ 3

1.3.2 Definition Zhigkeit ......................................................................................... 3

1.3.3 Definition Elastizittsmodul............................................................................ 4

1.4 Warum wird eine Hrteprfung durchgefhrt?................................................ 4

1.5 Einflsse auf die Ergebnisse bei der Hrteprfung......................................... 4

1.6 Was ist bei der Hrteprfung zu beachtet?...................................................... 5

1.7 Qualifikation vom Prfpersonal ........................................................................ 5

1.8 Dokumentation bei der Hrteprfung ............................................................... 6

2. Klassische Hrteprfverfahren ........................................................................... 6

2.1 Brinellhrte HBW (DIN EN ISO 6506)................................................................. 6

2.2 Vickershrte HV (DIN EN ISO 6507) .................................................................. 7

2.3 Rockwellhrte HRA, HRB, HRC (DIN EN ISO 6508).......................................... 8

2.4 Martenshrte (Universalhrte) HU (DIN EN ISO 14577) ................................... 9

3. Mobile statische bzw. dynamische Hrteprfungen........................................ 10

3.1 Poldi- Hammer .................................................................................................. 10

3.2 Rckprall Hrte (DIN 50156).......................................................................... 11

3.3 UIC Verfahren (DIN 50159) ............................................................................ 12

3.4 TIV Optisches Through-Indenter-Viewing-Verfahren .................................... 13

3.5 Andere mobile Hrteprfverfahren (diese sind hier nicht beschrieben) ..... 13

4. Gegenberstellung der mobilen Hrteprfverfahren ...................................... 14

5. Vergleich bzw. Umwertung der verschiedenen Hrtewerte ............................ 16

1. Einleitung

1.1 Definition Hrte Hrte ist der mechanische Widerstand, den ein Krper dem Eindringen eines anderen (hrteren) Krpers entgegensetzt. Die Hrte ist keine physikalische Gre, sondern eine Kenngre. In der Werkstoffkunde, speziell bei den Metallen, werden vor allem Prfverfahren eingesetzt, welche die Eindringhrte messen. Sie basieren im Allgemeinen darauf, dass ein harter Prfkrper einer bestimmten geometrischen Form durch eine definierte Kraft in die Prfstckoberflche gedrckt wird. Im Anschluss wird die projizierte Oberflche oder die Tiefe des bleibenden Eindruckes gemessen. Die Gre oder die Tiefe des Eindrucks in Bezug auf die angewendete Prfkraft ist eine Kenngre fr die Werkstoffhrte. Prinzipiell unterscheidet man in dynamische und statische Hrteprfverfahren. Die dynamischen Prfverfahren bringen die Belastung des zu prfenden Teiles schnell bzw. schlagartig auf, bei den statischen Verfahren ist die Belastung gleich bleibend oder allmhlich zunehmend. Die statischen Verfahren sind deshalb genauer. Bei den meisten Hrteprfverfahren wird nach der Belastung nur der bleibende Eindruck - die plastische Verformung bewertet. Ein eventuell elastisch verformter Anteil wird flschlicher Weise vernachlssigt.

1.2 Einflsse auf die Hrte eines Werkstoffs Folgende nderung bei einem Werkstoff fhren in der Regel auch zur nderung der Hrte:

- nderung der Struktur z. B. durch Umformung - nderung des Gefges z. B. durch Wrmebehandlung - nderung der chemischen Zusammensetzung

Gefgebeispiele

Quelle: www.metallografi.de Quelle: www.metallografi.de

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Untereutektoider Stahl mit einem niedrigen Stahl mit ca. 0,40 % Kohlenstoff. Kohlenstoffgehalt von ca. 0,10 %. Das Gefge besteht zu ca. 50 % aus Ferrit Aufgrund dessen ist ein hoher Ferritanteil und zu 50 % aus Perlit und nur wenig Perlit vorhanden.

Ferrit Perlit Ferrit Perlit

1.3 Festigkeit, Zhigkeit und Elastizittsmodul in Bezug zur Hrte

1.3.1 Definition Festigkeit Festigkeit ist der mechanische Widerstand, den ein Werkstoff einer ueren Belastung (z. B. Zug, Druck oder Biegung) entgegensetzt. Die Festigkeit eines Werkstoffes wird bei einem Zugversuch ermittelt.

= F/A in N/mm

Quelle: Wikipedia Spannungs-Dehnungs-Diagramm

Ein Zusammenhang zwischen der Hrte und der Zugfestigkeit eines Werkstoffes ist nur bedingt herzustellen. Solche Vergleiche sollten immer kritisch betrachtet werden. Bei un- und niedrig legierten Sthlen mit krz- Fe- Matrix kann aus der Brinellhrte HBW mit gewisser Toleranz die Zugfestigkeit Rm des Werkstoffes abgeleitet werden.

Zugfestigkeit Rm 3,5 HBW

1.3.2 Definition Zhigkeit Zhigkeit ist der Widerstand eines Werkstoffes gegen Rissausbreitung und Bruch. Dabei wird die eingebrachte Energie in plastische Verformung umgewandelt. Die Kerbschlagzhigkeit wird mit einem Kerbschlagbiegeversuch ermittelt. Die im Kerbschlagbiegeversuch ermittelte Kerbschlagarbeit W geht ebenso wie die Verformungskennwerte A (Bruchdehnung) und Z (Brucheinschnrung) aus dem Zugversuch nicht direkt in die Festigkeitsberechnung ein. Daher ist mit Hilfe dieser Gren nur eine qualitative Aussage bzw. eine Klassifizierung bezglich des Energieabsorptionsvermgens des Werkstoffs mglich.

in Nm (Joule) Ein direkter Zusammenhang zwischen der Hrte und der Zhigkeit gibt es nicht. Man kann aber davon ausgehen, dass Werkstoffe mit geringer Zhigkeit (sprde Werkstoffe) meist hhere Hrtewerte haben. Die plastische Deformation bei Hrteeindrcken erfolgt unter groem allseitigem Druck, der das Auftreten von Bruchmechanismen verhindert. Aussagen ber die Bruchzhigkeit sind deshalb aufgrund von Hrtewerten nicht mglich.

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1.3.3 Definition Elastizittsmodul Der Elastizittsmodul (E- Modul) ist als Steigung im Spannungs-Dehnungs-Diagramm innerhalb des linearen Elastizittsbereichs definiert. Dieser lineare Bereich wird auch als Hooksche Gerade bezeichnet.

in N/mm Hufig wird der Elastizittsmodul mit anderen Materialkennwerten in Verbindung gebracht. Dies ist jedoch nicht einfach:

Der E-Modul hat keinen strengen Bezug zur Hrte des Materials

Der E-Modul hat keinen strengen Bezug zur Streckgrenze Re des Materials

Der E-Modul hat keinen strengen Bezug zur Zugfestigkeit Rm des Materials Ein einfacher Baustahl hat (fast) den gleichen E-Modul wie ein hochlegierter hochfester rostfreier Edelstahl.

Es gibt aber einen generellen Trend:

Der E-Modul eines Metalls steigt mit seiner Schmelztemperatur.

Auerdem gilt: Der E-Modul von kubisch raumzentrierten (krz) Metallen ist (bei vergleichbarer

Schmelztemperatur) hher als der von kubisch flchenzentrierten. Der Grund fr die Zusammenhnge ist, dass sowohl der E-Modul als auch die Schmelztemperatur der Metalle von der Kraft-Abstands-Kurve der Atome abhngig sind.

1.4 Warum wird eine Hrteprfung durchgefhrt? Mit der Hrteprfung knnen die charakteristischen mechanischen Eigenschaften von Werkstoffen und Bauteilen einfach und schnell ermittelt werden. Durch eine Hrteprfung wird das Prfstck in seiner weiteren Verwendbarkeit meist nicht beeintrchtigt. Deshalb kann die Hrteprfung in den meisten Anwendungen als zerstrungsfreie Prfung angesehen werden. Bei der Qualittssicherung kann sie durch Prfung der Einhaltung von geforderten Spezifikationen, sinnvoll angewendet werden. So kann mittels Hrteprfung z. B. eine Gleichmigkeit der Wrmebehandlung, bei Schweinhten eine ausreichende Vorwrmung bzw. eine ordnungsgeme Wrmenachbehandlung berprft werden. Bedingt kann die Hrteprfung auch als Werkstoffverwechslungsprfung eingesetzt werden.

1.5 Einflsse auf die Ergebnisse bei der Hrteprfung Folgende Eigenschaften des Prfstcks knnen Einfluss auf die Hrteprfung haben:

- die Oberflche

- die Masse und die Geometrie

- Schwingungen im System

- die magnetische Eigenschaften im System

- die Temperatur G. Mann 4

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1.6 Was ist bei der Hrteprfung zu beachtet? Wenn man bei der Hrteprfung verlssliche Prfergebnisse erzielen will, muss man die Prfaufgabe umfassend betrachten und die erforderlichen Manahmen anwenden. Die Prfstckoberflche muss plan und ausreichend glatt bearbeitet sein. Das heit, je nach Prfverfahren, beschleifen mit einer 180 - 320 Krnung, ISO N7, (Rt 10 m, Ra 2 m). Dabei ist darauf zu achten, dass die Oberflchenhrte durch berhitzung oder durch Kaltverfestigung nicht beeintrchtigt wird. Der Eindringkrper muss lotrecht zur Prfstckoberflche positioniert sein. Fr die Prfaufgabe muss ein angepasstes Prfverfahren, ein geeigneter Eindringkrper (Kugeldurchmesser), eine geeignete Prfkraft und ggf. ein geeigneter Justierkrper ausgewhlt werden. Die Auswahl des Prfverfahrens richtet sich z. B. nach folgenden Kriterien:

- zu erwartende Hrte (bei geringen Hrten mit HBW oder HV, bei hheren Hrten mit HRC)

- Zugnglichkeit am Prfstck (kann ich den Eindringkrper senkrecht zur Oberflche platzieren)

- Prfaufgabe z. B. Prfung einer WEZ (hier kommt nur Pyramide zu Einsatz) - Prfstckdicke bzw. - masse (sie muss ausreichend sein, oder Masse ankoppeln) - Werkstoff vom Prfstck (un- niedrig- oder hochlegiert, krz oder kfz, Zhigkeit)

Die Auswahl vom Eindringkrper (Kugeldurchmesser) und der Prfkraft richtet sich nach der zu erwartenden Hrte. Wenn das Hrteprfgert fr einen anderen Werkstoff justiert werden muss, dann muss der Justierkrper - fr die Hrteprfung am Prfstck - reprsentativ sein. Das heit, gleicher Werkstoff mit gleicher Wrmebehandlung und gleiche Dicke / Masse.

1.7 Qualifikation vom Prfpersonal Das Prfpersonal muss wie folgt qualifiziert sein:

- gute Kenntnisse von den blichen klassischen und mobilen Hrteprfverfahren. Das heit, das Prfprinzip sowie die Einsatzgrenzen der verschiedenen Hrteprfverfahren mssen bekannt sein

- Kenntnisse der DIN-, EN-, ISO- Normen, in denen Hrteprfungen behandelt sind - Grundkenntnisse ber Arten der Wrmebehandlung - Kenntnisse von den zerstrenden Prfungen wie Zugversuch und

Kerbschlagbiegeversuch - Kenntnisse ber die mechanischen Eigenschaften wie Streckgrenze, Zugfestigkeit

Bruchdehnung und Zhigkeit - eine umfassende Einweisung fr das eingesetzte Hrteprfgert - der Inhalt der Bedienungsanleitung fr das eingesetzte Hrteprfgert muss bekannt

sein - die mechanischen, die chemischen und die magnetischen Eigenschaften sowie der

Wrmebehandlungszustand vom Prfobjekt mssen bekannt sein

Diese Kenntnisse sollten mglichst durch einen Kurs und einer Prfung bei der DGzfP nachgewiesen sein. Alternativ kann die Qualifikation auch vom Auftraggeber geprft werden.

1.8 Dokumentation bei der Hrteprfung Zur Dokumentation einer Hrteprfung sind im Protokoll grundstzlich folgende Angaben erforderlich (siehe auch Forderungen in Prfanweisung):

- Prfobjekt, Gre/Abmessung/Masse, Werkstoff, Wrmebehandlungszustand, Grundwerkstoff, Schweinaht, WEZ, Oberflchenzustand

- Prfgert, Prfprinzip (ggf. Norm), Prfsonde/Eindringkrper, Justier- bzw. Vergleichskrper

- Prflast, ggf. Lasteinwirkzeit - Prfergebnis1), Prfer, Qualifikation des Prfers, Prfdatum und Unterschrift

1)Wenn eine Umwertung der Hrtewerte vorgenommen wurde, dann muss grundstzlich angegeben werden, mit welchem Prfverfahren die direkten Hrtewerte ermittelt wurden.

2. Klassische Hrteprfverfahren Die klassischen Hrteprfverfahren sind genormt. Die Prfgerte sind in der Regel so gebaut, dass sie in ihrer Bauweise sehr steif ausgefhrt sind und dass eine zur Prfstckoberflche senkrechte Eindruckposition gewhrleistet ist.

2.1 Brinellhrte HBW (DIN EN ISO 6506) Die Hrteprfung nach Brinell ist ein statisches Verfahren, bei dem eine Hartmetallkugel (Durchmesser 10 mm, 5 mm, 2,5 mm oder 1,0 mm) mit einer definierten Kraft F auf eine vorbereitetet (plan und glatt geschliffen) Oberflche des zu prfenden Werkstckes gedrckt wird. Sie kommt bei weichen bis mittelharten Metallen wie zum Beispiel unlegiertem Baustahl und bei Werkstoffen mit ungleichmigem Gefge, wie etwa Gusseisen, zur Anwendung.

Quelle: Wikipedia Nach einer Belastungszeit von 10 bis 15 Sekunden wird der Durchmesser des bleibenden Eindrucks im Werkstck gemessen und daraus die Oberflche des Eindrucks bestimmt. Bei den klassischen stationren Hrteprfgerten wird zum Vermessen der beiden Durchmesser, die Eindrucksflche in vergrerter Form auf eine Mattscheibe projiziert. Der zu bestimmende Durchmesser d ist der Mittelwert zweier rechtwinklig zueinander liegenden Durchmessern d1 und d2 des bleibenden Eindruckes.

Der Eindruckdurchmesser d soll zwischen 0,2 x D und 0,7 x D sein. Die Mindestdicke vom Prfstck muss mindestens das 10 fache der Eindringtiefe sein. Bsp.: 345 HBW 2,5/62,5 wobei: 345 = Hrtewert, HB = Prfverfahren, W = Hartmetallkugel

G. Mann 62,5 = Kugeldurchmesser D in mm, 62,5 = Belastung (Kraft F) in Kilopond kp

2.2 Vickershrte HV (DIN EN ISO 6507) Die Hrteprfung nach Vickers ist ein statisches Verfahren, bei dem eine gleichseitige Diamantpyramide mit einem ffnungswinkel von 136 unter einer festgelegten Prfkraft in das Werkstck eingedrckt wird. Dieses Verfahren wird zur Prfung von harten und gleichmig aufgebauten Werkstoffen angewendet. Es wird aber auch zur Hrteprfung dnnwandiger oder oberflchengehrteter Werkstcke eingesetzt.

Quelle: Wikipedia

dabei ist Aus der mittels eines Messmikroskops festgestellten Lnge der Diagonalen des bleibenden Eindrucks wird die Eindruckoberflche errechnet. Das Verhltnis von Prfkraft in der Einheit Newton zur Eindruckoberflche (d in Millimetern) ergibt mit dem Faktor 0,1891 multipliziert die Vickershrte (HV). Bei den klassischen stationren Hrteprfgerten wird zum Vermessen der beiden Diagonalen, die Eindrucksflche in vergrerter Form auf eine Mattscheibe projiziert. Bsp.: 610 HV 10 wobei: 610 = Hrtewert, HV = Verfahren, 10 = Prfkraft F in Kilopond Die Mindestdicke vom Prfstck muss mindestens das 1,5-fache der Eindruckdiagonale bzw. das 10-fache der Eindringtiefe sein.

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2.3 Rockwellhrte HRA, HRB, HRC (DIN EN ISO 6508) Die Rockwellhrte HRC eines Werkstoffes ergibt sich aus der Eindringtiefe eines kegelfrmigen Prfkrpers aus Diamant. Sie ist in der Norm DIN EN ISO 6508 (DIN EN 10109) festgelegt und wird mit HRC abgekrzt; das C steht dabei fr das englische Wort cone fr Kegel. Mit einer festgelegten Prfkraft wird dieser Kegel, der einen Spitzenwinkel von 120 und eine abgerundete Spitze mit einem Radius von 0,2 mm besitzt, in die Oberflche des zu prfenden Werkstckes vorbelastet. Die eingedrungene Tiefe des Eindringkrpers dient hierbei als Bezugsebene. Danach wird der Eindringkrper ber einen Zeitraum von mindestens zwei Sekunden und maximal sechs Sekunden mit der Hauptlast belastet. Anschlieend wird diese wieder entfernt, so dass nur noch die Vorlast wirksam ist. Die Differenz der Tiefen vor und nach Auflegen der Hauptlast ist das Ma fr die Rockwellhrte des Werkstoffes. Die Eindringtiefe des Diamantkegels wird direkt mit einer Messuhr, die mit der Prfspitze verbunden ist, festgestellt. Auf der Skala der Uhr kann man die Hrtewerte in Rockwelleinheiten (HRC) unmittelbar ablesen. Dieses Prfverfahren kommt vor allem bei sehr harten Werkstoffen zum Einsatz. Als weitere Rockwelleindringkrper werden Kegel aus Sinterhartstoff (HRA) und Hartmetallkugeln (HRB) verwendet. 58 HRC wobei: 58 = Hrtewert, HRC = Prfverfahren

Quelle: Internet

Hrtemessung nach Rockwell am Beispiel HRC

Quelle: Internet

Hrtemessung nach Rockwell am Beispiel HRB Zeichen Begriffe Winkel des Diamantkegels D Kugeldurchmesser F0 Prfvorkraft F1 Prfkraft F Gesamtprfkraft = F0 + F1 h1 Eindringtiefe in mm unter der Prfkraft F0 h2 Eindringtiefe in mm unter der Prfkraft F h4 bleibende Eindringtiefe in mm, gemessen nach Kraftminderung von F auf F0 h3 Rckfederung der Probe h3= h2- h4 e bleibende Eindringtiefe, ausgedrckt in Einheiten von 0,002 mm; e=h4/0,002

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2.4 Martenshrte (Universalhrte) HU (DIN EN ISO 14577) Das Martens-Hrteverfahren ist nach dem deutschen Physiker Adolf Martens benannt worden und wird auch als instrumentierter Eindringversuch bezeichnet. Im Jahre 2003 wurde die Universalhrte in Martenshrte umbenannt. Das Verfahren wird zur Bestimmung der Hrte und anderer Werkstoffparameter eingesetzt.

Bei diesem Verfahren werden whrend der Belastungs- und Entlastungsphase kontinuierlich die Kraft und die Eindringtiefe gemessen. Die Martenshrte (HM) wird definiert als das Verhltnis der Maximalkraft zu der dazugehrigen Kontaktflche und wird in der Einheit N/mm angegeben.

Anders als bei den Vickers- oder dem Brinellverfahren wird der Hrtewert aus plastischer und elastischer Deformierung ermittelt. Es wird also nicht nur das plastische Verhalten des Werkstoffes bestimmt, sondern es knnen aus der gewonnenen Messkurve auch weitere Werkstoffparameter wie zum Beispiel der Eindringmodul, das Eindringkriechen sowie plastische und elastische Verformungsarbeiten bestimmt werden.

Als Eindringkrper sind folgende Formen am gebruchlichsten: die Vickerspyramide (siehe Vickersverfahren), eine Hartmetallkugel, ein kugeliger Diamant-Eindringkrper und der Berkovich- Eindringkrper. Der Berkovich- Eindringkrper ist eine Diamantpyramide mit einer gleichseitigen dreieckigen Grundflche. Der ffnungswinkel der Pyramide betrgt 65.

Die Umrechnung der Eindringtiefe zur Kontaktoberflche muss fr jede Eindringkrperform bestimmt werden. Die Kontaktflche wird fr die Vickers- und Berkovich- Pyramide durch das Produkt aus dem Quadrat der Eindringtiefe h und der Konstanten 26,43 errechnet. HM = F = F HM = Martenshrte in N/mm, F = wirkende Kraft in N A 26,43 h A = Kontaktoberflche in mm; h = Eindringtiefe in mm Bsp.: HM 100/20 wobei HM = Prfverfahren, 100 = Prfkraft in N, 20 = Lasteinwirkzeit in s

Quelle: Internet Schematisches Kraft-Eindringtiefen-Diagramm

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3. Mobile statische bzw. dynamische Hrteprfungen Viele Werkstcke knnen aufgrund ihre Abmessung und ihres Gewichts nicht mit konventionellen stationren Hrteprfgerten geprft werden. Deshalb wurden verschiedene Methoden entwickelt, um diesem Problem abzuhelfen. Sie unterscheiden sich in der Art der Lastaufbringung (statisch oder dynamisch), der Art der Messung (nach Entlastung, nach Teilentlastung oder whrend der Belastung), nach Art der Messgre (dem Kugeleindruckdurchmesser - Brinell, der Diagonalenlnge - Vickers, der Eindringtiefe Rockwell und Martenshrte, der Frequenzverschiebung UIC Verfahren oder nach dem elektrischer widerstand - Esatest) und nach Art der Eindringkrpergeometrie (Kugel, gleichseitige oder ungleichseitige Pyramide oder Kegel). Ein allgemeines Problem bei der mobilen Hrteprfung ist, dass lotrechte positionieren vom Schlagbolzen bzw. der Prfsonde zum Prfstck. Die Abweichung von der Lotrechten wird am Prfergebnis nur beim Through-Indenter-Viewing-Verfahren (TIV) erkannt. Bei allen anderen Verfahren werden diese Fehlmessungen nicht erkannt.

3.1 Poldi- Hammer Der Poldi- Hammer ist ein dynamisches Verfahren. Er besteht aus einem in einer Hlse gefhrten Schlagbolzen, der unten eine gehrtete Stahlkugel (D = 10 mm) trgt. Zwischen Schlagbolzen und der Kugel wird in einer Aufnahme ein Vergleichsstab mit bekannter Hrte eingefhrt. Der Poldi- Hammer wird lotrecht auf das Prfstck aufgesetzt. Durch einen Schlag mit einem Hammer wird die Kugel gleichermaen in das Prfstck und rckseitig in den Vergleichsstab eingedrckt. Dabei entstehen im Prfstck und im Vergleichstab Eindrcke, die mit einer Lupe (Fadenleser) vermessen werden. Aus dem Verhltnis der beiden Eindruckdurchmesser wird mittels einer einfachen Formel die Hrte vom Prfstck als Brinell- Hrte berechnet, denn die beiden Eindruckdurchmesser verhalten sich wie die Hrten von Prfstck und Vergleichsstab.

Quelle: Wikipedia Mit der o. g. Formel bzw. aus Vergleichstabellen lsst sich die Hrte einfach bestimmen, Die Kraftaufbringung mittels eines kurzen Hammerschlags wirkt sich geringfgig anders aus als eine zeitlich lngere Kraftaufbringung mittels eines statischen Verfahrens. Auch die Druckkrfte im Prfstck und im Vergleichskrper sind nicht exakt gleich. Deshalb stimmt die mit dem Poldi- Hammer ermittelte Hrte nicht exakt mit den statisch ermittelten Hrtewerten berein, sie ist aber fr die meisten Ansprche ausreichend genau. In den Vergleichstabbellen fr die Vergleichsstbe knnen auch Umwertungen zwischen Brinell- Hrte und der Zugfestigkeit vorgenommen werden. Geeignet zur Prfung: Diese Verfahren ist fr un- und niedriglegierte Werkstoffe und fr Wanddicken > 20 mm sowie einer Masse > 5 kg geeignet. Nicht geeignet fr austenitische, rostfreie, kaltgehrtetet oder unmagnetische Sthle.

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3.2 Rckprall Hrte (DIN 50156) Das Rckprallhrteverfahren ist ein dynamisches Verfahren. Es wurde von Leeb entwickelt und wird deshalb auch Leeb- Hrte bzw. L- Hrte genannt. Es arbeitet nach dem Prinzip der Energieumwandlung von einer potentiellen bzw. kinetischen Energie in Verformungsenergie. Das Schlaggert mit Hartmetallkugel muss senkrecht auf die zu prfende Oberflche aufgesetzt werden. Je nach erforderlicher Schlagenergie bzw. der Gre des Eindringkrpers, gibt es unterschiedliche Schlagkrper. Neben der Umwandlung in Verformungsenergie wird beim Auftreffen des Prfkrpers auf das Prfstck auch in Schallenergie umgewandelt. Diese bleibt beim Rckprallverfahren flschlicher Weise unbercksichtigt. Empfehlenswert ist wenn erhltlich - ein Stativ, mit dem eine senkrechte Position vom Schlaggert zum Prfstck ermglicht wird. Beim Rckprallhrteverfahren werden zwei physikalische Schlussfolgerungen angewandt:

a. Beim Fallhrteprfer misst man die Rckprallhhe (Wp) Eine Fallstange mit einer Hartmetallkugel wird in einer Fhrung in vertikaler Senkrechtposition auf die Oberflche vom Prfstck aufgesetzt und aus einer definierten Hhe fallen gelassen. Dabei wird die Rckprallhhe ermittelt. Die Differenz zwischen der Ausgangshhe zur Rckprallhhe ergibt sich aus der Verformungsenergie, die beim Aufschlagen vom Fallstab das Prfstck verformt hat. Aus dem Verhltnis zwischen hR / hA wird der L- Wert berechnet, der in Tabellen in Hrtewerte umgewertet wird. Da die Hrteprfung nach dem Rckprallverfahren vom Elastizittsmodul des Werkstoffes abhngig ist, muss fr die Umwertung vom L-Wert die entsprechende Tabelle angewendet werden.

L- Hrte = hR / hA ; (Wp = WpA (mghA) WpR (mghR)) Trifft der Fallstab auf weiches Material, dann wird viel Verformungsenergie verbraucht und die Fallstab prall nicht so weit zurck die Differenz zwischen hA und hR ist grer. Trifft der Fallstab auf hartes Material, dann wird weniger Verformungsenergie verbraucht und die Fallstab prall entsprechend weit zurck die Differenz zwischen hA und hR ist kleiner. Geeignet zur Prfung: Das Rckprallverfahren ist bei Verwendung der entsprechenden Umwertungstabellen bzw. nach Justierung fr alle metallischen Werkstoffe und fr Wanddicken > 25 mm bzw. einer Masse > 5 Kg ohne Ankopplung geeignet. Vorzugsweise wird es zur Hrteprfung an massiven Bauteilen eingesetzt.

b. man misst die Rckprallgeschwindigkeit (Wk) Ein Kolben mit einer Hartmetallkugel wird in einem Fhrungsrohr senkrecht auf die Oberflche vom Prfstck aufgesetzt und aus einer definierten Hhe fallen gelassen. Dabei wird die Rckprallgeschwindigkeit ermittelt. Die Differenz zwischen der Geschwindigkeit die der Kolben kurz vor dem Auftreffen auf dem Prfstck hat und der Rckprallgeschwindigkeit, ergibt sich aus der Verformungsenergie, die beim Aufschlagen vom Kolben, das Prfstck verformt hat. Aus dem Verhltnis zwischen VR / VA wird der L- Wert berechnet, der in Tabellen in Hrtewerte umgewertet wird. Ist eine Prfung in vertikaler Senkrechtposition nicht mglich, dann gibt es in den Tabellen Korrekturfaktoren mit denen die Abweichung zur Senkrechten in etwa korrigiert werden kann. Da die Hrteprfung nach dem Rckprallverfahren vom Elastizittsmodul des Werkstoffes abhngig ist, muss fr die Umwertung vom L-Wert die entsprechende Tabelle angewendet werden.

L- Hrte = VR / VA x 1000; (Wk = WkA (1/2 mVA) WkR (1/2 mVR))

Trifft der Kolben auf weiches Material, dann wird viel Verformungsenergie verbraucht und die Kolben prall nicht so schnell zurck die Differenz zwischen VA und VR ist grer. Trifft der Kolben auf hartes Material, dann wird weniger Verformungsenergie verbraucht und die Kolben prall entsprechend schneller zurck die Differenz zwischen VA und VR ist kleiner. Geeignet zur Prfung: Das Rckprallverfahren ist bei Verwendung der entsprechenden Umwertungstabellen bzw. nach Justierung fr alle metallischen Werkstoffe und fr Wanddicken > 25 mm bzw. einer Masse > 5 kg ohne Ankopplung geeignet. Vorzugsweise wird es zur Hrteprfung an massiven Bauteilen eingesetzt.

Schlaggert fr Rckprallhrte Quelle: Krautkramer

3.3 UIC Verfahren (DIN 50159) Das UIC- Verfahren ist ein Quasi-statisches Verfahren. Es arbeitet nach dem Prinzip der Frequenzverschiebung. Hier wird eine Prfsonde mit Pyramide mittels definierter Federkraft lotrecht auf die Prfstckoberflche gedrckt. Es werden jedoch nicht wie bei Vickers die Diagonalen des Prfeindrucks optisches vermessen, sondern die entstehenden Prfeindrucksflchen werden durch messen der Verschiebung einer eingeleiteten Ultraschallfrequenz unter Prfkraft elektronisch erfasst. Wird die Pyramide bei harten Werkstoffen nur gering in die Oberflche eingedrckt, so ergibt sich nur eine geringe Verschiebung der Resonanzfrequenz. Wird die Pyramide bei weichen Werkstoffen tiefer in die Oberflche eingedrckt, so ergibt sich eine grere Verschiebung der Resonanzfrequenz. Je nach Prfanforderung gibt es bzgl. der Prflast (1N bis 98N) unterschiedliche Prfsonden. Empfehlenswert ist ein Stativ, mit dem eine senkrechte Position der Prfsonde zum Prfstck ermglicht wird. Diese Frequenzverschiebung ist proportional zur Gre des Pyramideneindrucks. Sie ist vom Elastizittsmodul des Werkstoffes abhngig. Die Frequenzverschiebung ist eine Funktion vom effektiven Elastizittsmodul und der Gre des Prfeindrucks.

f = f (Eeff, A) Geeignet zur Prfung: Das Prfverfahren darf bei Werkseinstellung der Prfgerte, nur bei un- und niedriglegierten Werstoffen eingesetzt werden. Fr hochlegierte Werkstoffe mssen die Prfgerte an Proben mit bekannter Hrte justiert werden. Dann ist es fr alle metallischen Werkstoffe geeignet. Die Mindestdicke vom Prfstck, ohne Ankopplung ist 3 mm. Die Mindestmasse ohne Ankopplung ist 300 g. Da der Prfeindruck durch eine Pyramide erfolgt, ist das Prfverfahren besonders fr die Hrteprfung an Schweinhten und deren WEZ sowie an Werkstoffen mit feinkrnigem Gefge geeignet. Das Prfverfahren ist auch fr Prfstcke mit geringer Wanddicke geeignet. Genauere Angaben sind der Bedienungsanleitung der Hersteller zu entnehmen. Durch den punktfrmigen Prfeindruck ist wie auch beim klassischen Vickers- Verfahren - eine grere Streuung der Prfergebnisse zu erwarten.

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3.4 TIV Optisches Through-Indenter-Viewing-Verfahren Das optische Through-Indenter-Viewing-Verfahren (TIV) ist ein statisches Hrteprfverfahren. Es arbeitet nach dem klassischen Prinzip nach Vickers. Die Prfsonde mit Diamantpyramide wird durch eine definierte Federkraft lotrecht auf das Prfstck gedrckt. Mit einer CCD- Kamera, die durch die Diamantpyramide hindurch blickt, kann man gleichzeitig den Eindruck am Prfstck ber ein Display, kontinuierlich wachsen sehen. Sobald die erforderliche Prfkraft erreicht ist, wird das Bild vom Eindruck ber die Prfsonde zum Gert bertragen und automatisch ausgewertet. Mit Hilfe einer speziellen Software wird als erster Schritt die Umrandung des Eindrucks bestimmt. Aus den Schnittpunkten mit den auf dem Display abgebildeten Kanten des Eindrucks (Diamantpyramide mit Dachwinkel 136) werden dann die Lngen der beiden Diagonalen des Eindrucks ermittelt. Der Mittelwert der beiden Diagonalen dient zur Berechnung des Hrtewerts gem Vickersdefinition. Ein wesentlicher Punkt bei der Hrteprfung ist der exakte Prfeindruck im Prfstck. Dieser Eindruck wird beim Through-Indenter-Viewing-Verfahren (TIV) im Display optisch angezeigt. Die optische berprfung der Form des Eindrucks erlaubt, wie bei den klassischen Hrteprfverfahren, eine zuverlssige Aussage ber die Qualitt des Prfergebnisses. Dabei knnen auch die Gte der Oberflche, das Gefge vom Werkstoff und andere Effekte, die die Messung beeintrchtigen knnen, erkannt werden. Das Prfergebnis kann bei Bedarf auch manuell, indem man die Umrandung des Eindrucks per Hand anpasst, ausgewertet werden. Empfehlenswert ist ein Stativ, mit dem eine lotrechte Position der Prfsonde zum Prfstck ermglicht wird. Als Nachteil muss man das Display nennen. Bei hellem Tageslicht kann der abgebildete Prfeindruck im Display schlecht erkannt werden. Somit ist dann eine Bewertung des Prfeindrucks nicht mglich. Eine Nachbesserung in diesem Punk ist notwendig. Geeignet zur Prfung: Das Prfverfahren kann ohne Justierung bei allen metallischen Werkstoffen, und fr alle Wanddickenbereiche (Wanddicke > 10-facher Eindringtiefe) eingesetzt werden. Dieses Verfahren ist nicht nur unabhngig von der Prfposition und -richtung, sondern auch von der Masse, dem Werkstoff und der Geometrie des Prfstcks.

Das Through-Indenter-Viewing-Verfahren (TIV) Im Display abgebildeter Prfeindruck Quelle Krautkramer

3.5 Andere mobile Hrteprfverfahren (diese sind hier nicht beschrieben) Prfzwingen mit Kugel (in Anlehnung nach Brinell) Scherkraft- Hrteprfer mit Kugel (in Anlehnung nach Brinell) Dynatest - mit Kugel (in Anlehnung nach Rockwell) Computest (in Anlehnung nach Rockwell) Equostat mit Kegel (in Anlehnung nach Rockwell) Esatest mit Kegel (in Anlehnung nach Martens)

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4. Gegenberstellung der mobilen Hrteprfverfahren Quelle: Verfasser Hrteprfverfahren Poldi-Hammer Rckprallverfahren UCI- Verfahren MIC 10 TIV- Verfahren Verfahrensprinzip abgewandelte Brinellprfung Leeb / Rckprall

nach DIN 50156 UCI (Ultrasonic Contact Impedance), nach E DIN 50159

TIV Through Indender Viewing Hrteprfung nach Vickers unter Prfkraft, konform zu DIN EN ISO 6507

Belastungsart und -gre Schlag mit einem Hammer dynamisch quasi-statisch; HV0,1 bis HV10

statisch, HV1 oder HV5

Eindringkrper 10 mm Stahlkugel Kugel aus Hartmetall, Diamant oder Keramik

Vickersdiamant Vickersdiamant

Gre des Eindrucks abhngig von der Schlagkraft, 2 4 mm

abhngig von Eindringkrper, Schlagenergie und Materialhrte

identisch zur Vickersprfung, abhngig von Prfkraft und Hrte

identisch zur Vickersprfung, abhngig von Prfkraft und Hrte

Platzierungsgenauigkeit manuell einsehbar manuell / Fhrungshilfen zur senkrechten Positionierung

manuell / Fhrungshilfen zur senkrechten Positionierung

manuell / Fhrungshilfen zur senkrechten Positionierung

Messgre Vergleich zwischen Eindruckdurchmesser auf Prfteil und Vergleichsstab

Rckprallgeschwindigkeit bzw. Rckprallhhe des Schlagkrpers

Frequenzverschiebung eines Schwingerstabes mit Vickersdiamant unter Prfkraft

Lngen der Diagonalen (Vickers) unter Prfkraft

Kennwert aus Messgre Brinellhrte in HB Geschwindigkeitsverhltnis nach und vor dem Aufprall mal 1000 in HL; bzw. Hhenverhltnis nach und vor dem Aufprall in HL

Proportionalitt der Frequenzverschiebung zur Kontaktflche, Rckfhrung in HV- Werte

HV gem Vickersdifinition

Messbereich (Hrtebereich) 100 HB bis ca. 400 HB 150 bis 1000 HL 20 HV bis 1740 HV (werkstoffabhngig)

30 HV bis 1000 HV

Prfbare Werkstoffe alle Werkstoffe im angegebenen Hrtebereich auer austenitische Sthle

alle plastisch verformbaren Werkstoffe im relevanten Hrtebereich

alle Werkstoffe im angegebenen Hrtebereich, vergleichendes Verfahren

alle Werkstoffe im angegebenen Hrtebereich

Art der Kalibrierung Kalibrierung auf Hrtevergleisplatten

das Gert kann mit Hilfe von Hrtevergleichsplatten verifiziert werden

Kalibrierung auf Hrtevergleisplatten

Kalibrierung auf Hrtevergleisplatten

G. Mann 14

Hrteprfverfahren Poldi-Hammer Rckprallverfahren UCI- Verfahren MIC 10 TIV- Verfahren Oberflchengte und Planheit

eben und blank, mindestens 240er Krnung

die Oberflchenrauhigkeit soll besser als Ra = 2 m sein (ISO N7)

Empfehlung: 320er Krnung, abhngig von Prfkraft und Hrte

Empfehlung: 320er Krnung

Geometrie (z. B. Wanddicke, Rohrdurchmesser)

Mindestdicke 20 mm Mindestdicke ohne Ankopplung 25 mm, mit Ankopplung auch dnnere Proben mglich

Mindestdicke 3 mm (ohne Ankopplung), mit Ankopplung auch bei dnneren Wanddicken anwendbar

Mindestdicke des Prfteils: 10-fache der Eindringtiefe,

Masse des Prfteils mindestens 5 kg Masse mindestens 5 kg, mit Ankopplung auch 2 kg mglich

mindestens 300 g (ohne Ankopplung), mit Ankopplung auch bei leichteren Bauteilen anwendbar

unabhngig von der Masse

Unterlage (Ankopplung) Nicht notwendig, da die Masse > 5 kg

stabile Unterlage zur Reduzierung von Probenschwingungen

stabile Unterlage zur Reduzierung von Probenschwingungen

stabile Unterlage zur Vermeidung von Deformationen

Prfrichtung Richtungsunabhngig mit Korrekturfaktoren der HL- Werte sind alle Prfrichtungen mglich

unabhngig von der Prfrichtung bei > 10 N

unabhngig von der Prfrichtung

Zugnglichkeit Hhe ca. 500 mm mittels Einsatz verschiedener Schlaggerte wird ein gute Zugnglichkeit erreicht

mittels Einsatz verschiedener Sonden wird ein gute Zugnglichkeit erreicht

Sondenhhe ca. 215 mm

Temperatur ohne Einfluss Betriebstemperatur 0 40C Betriebstemperatur 0 40C Betriebstemperatur 0 50C Schwingungszustand des Prfgegenstandes

ohne Einfluss kann die Messung beeinflussen

kann die Messung beeinflussen

kein Einfluss, solange die statische Prfkraft aufgebracht werden kann

Magnetische / Elektrische Felder

ohne Einfluss kann die Messung beeinflussen

kann die Messung beeinflussen

ohne Einfluss

Messunsicherheit (Wiederholungsgenauigkeit unter idealisierten Bedingungen, z. B. an Hrtevergleichsplatte)

Ablesegenauigkeit beim Vermessen der Eindruckdurchmesser

+/- 6 HL max. Abweichung des Mittelwertes aus 5 Messungen vom Sollwert der Hrtevergleichsplatte

+/- 3,6% max. Abweichung des Mittelwertes aus 5 Messungen vom Sollwert der Hrtevergleichsplatte

+/- 3,6% max. Abweichung des Mittelwertes aus 5 Messungen vom Sollwert der Hrtevergleichsplatte

Umwertung mglich Sollte vermieden werden, Umwerttabelle in Festigkeit wird mitgeliefert

Tabelle vorhanden, E-Modul ist zu bercksichtigen

Umwertung nach DIN EN ISO 18265 und ASTM E 140 im Prfgert vorhanden; E-Modul ist zu bercksichtigen

Umwertung nach DIN EN ISO 18265 und ASTM E 140 im Prfgert vorhanden

G. Mann 15

G. Mann 16

5. Vergleich bzw. Umwertung der verschiedenen Hrtewerte In DIN 50150 (neu EN ISO 18265) ist ein Vergleich zwischen der Zugfestigkeit und den Hrtewerte nach HBW, HV, HRA, HRB und HRC aufgefhrt (siehe folgende Tabelle). Diese Angaben haben Unsicherheiten und sind deshalb kritisch zu betrachten. Einen Einfluss auf die ermittelten Hrtewerte hat nicht nur die Zugfestigkeit vom Werkstoff, sondern auch das Verhltnis zwischen der Streckgrenzen (Re) und der Zugfestigkeit (Rm). Auch der Elastizittsmodul und die Zhigkeit eines Werkstoffes haben Einfluss auf die Prfergebnisse und somit auch auf die Umwertbarkeit von Hrtewerten. Deshalb ist es durchaus mglich, dass man mit den o. g. Prfverfahren am gleichen Prfstck unterschiedliche Hrtewerte erzielt. Wenn bei Hrtewerten eine Umwertung vorgenommen wurde, dann muss grundstzlich darauf hingewiesen werden, mit welchem Prfverfahren die direkten Hrtewerte ermittelt wurden. Umwertungstabelle1 fr Zugfestigkeit, Brinell2-, Rockwell-, Vickershrte DIN 50150:

1Gltig fr unlegierte und niedriglegierte Sthle Bei hochlegierten oder kalt verfestigten Sthlen sind hohe Abweichungen zu erwarten 2Die Durchmesserangabe bei der Brinellhrte bezieht sich auf eine 10mm Prfkugel. Zugfestigkeit Brinellhrte Rockwellhrte Vickershrte

MPa HBW 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

G. Mann 17

1595 466 48 75 - 490

MPA HBW HRC HRA HRB HV

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 Quelle: DIN 50150

1. Einleitung 1.1 Definition Hrte 1.2 Einflsse auf die Hrte eines Werkstoffs 1.3 Festigkeit, Zhigkeit und Elastizittsmodul in Bezug zur Hrte 1.3.1 Definition Festigkeit 1.3.2 Definition Zhigkeit 1.3.3 Definition Elastizittsmodul 1.4 Warum wird eine Hrteprfung durchgefhrt? 1.5 Einflsse auf die Ergebnisse bei der Hrteprfung 1.6 Was ist bei der Hrteprfung zu beachtet? 1.7 Qualifikation vom Prfpersonal 1.8 Dokumentation bei der Hrteprfung 2. Klassische Hrteprfverfahren 2.1 Brinellhrte HBW (DIN EN ISO 6506) 2.2 Vickershrte HV (DIN EN ISO 6507) 2.3 Rockwellhrte HRA, HRB, HRC (DIN EN ISO 6508) 2.4 Martenshrte (Universalhrte) HU (DIN EN ISO 14577) 3. Mobile statische bzw. dynamische Hrteprfungen 3.1 Poldi- Hammer 3.2 Rckprall Hrte (DIN 50156) 3.3 UIC Verfahren (DIN 50159) 3.4 TIV Optisches Through-Indenter-Viewing-Verfahren 3.5 Andere mobile Hrteprfverfahren (diese sind hier nicht beschrieben) 4. Gegenberstellung der mobilen Hrteprfverfahren Quelle: Verfasser 5. Vergleich bzw. Umwertung der verschiedenen Hrtewerte