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5 Methoden zur Messung der Härte von Materialien und deren technische Unterschiede

Die Härte eines Materials ist definiert als der Widerstand eines bestimmten Materials gegen lokale plastische Verformung oder Eindrückung. Der Begriff kann auch verwendet werden, um die Beständigkeit eines Materials gegen Kratzen, Abrieb oder Schneiden zu beschreiben. Bei Metallen wird die Härte am häufigsten verwendet, um deren Widerstandsfähigkeit gegen bleibende Verformung durch konzentrierte Belastung zu beurteilen. Je höher die Härte des Metalls ist, desto stärker ist seine Fähigkeit, seine Form unter Einwirkung äußerer Kräfte beizubehalten.

Die Härte eines Metalls hängt stark von anderen Parametern wie Steifigkeit, Festigkeit, Dehnung, Duktilität und Streckgrenze ab. Die Kenntnis der Härte von Metallen ist sehr nützlich, da sie bei der Auswahl des richtigen Materials für eine bestimmte Anwendung hilft. Die vorherige Kenntnis der Härte eines Metalls hilft bei der Einschätzung, ob das Metall leicht zu bearbeiten ist oder sich im Betrieb verhält.

Härteprüfverfahren

Im Gegensatz zu anderen wohldefinierten Materialeigenschaften gibt es keine Standardskala zur Messung der Härte. Für Werkstoffe gibt es verschiedene Prüfverfahren, und jedes Prüfverfahren verwendet eine eigene, willkürlich definierte Skala zur Angabe der Härte. In diesem Artikel untersuchen wir die fünf gängigsten Prüfmethoden zur Messung der Härte von Materialien, wie sie sich unterscheiden und unter welchen Umständen sie am besten geeignet sind.

Brinell-Härteprüfung

Der Brinell-Härtetest muss den Durchmesser des Eindrucks messen, der durch eine konstante konzentrierte Kraft verursacht wird, die von einem kugelförmigen Eindringkörper aus Stahl oder Hartmetall auf die Probe ausgeübt wird. Der Stahlkugel-Eindringkörper berührt zuerst das Material, übt dann eine konstante Kraft aus und hält diese für einen Zeitraum von 10 bis 15 Sekunden, die sogenannte Verweilzeit, aufrecht. Nach Ablauf der Verweilzeit den kugelförmigen Eindringkörper herausnehmen und eine kreisförmige Vertiefung auf der Probe hinterlassen.

Die Brinellhärte wird nach folgender Formel berechnet:

Brinell-Härte, HB = aufgebrachte Prüfkraft (kg-Kraft) ÷ Eindruckoberfläche (mm2).

Diese Härteprüfmethode ist die breiteste und tiefste Vertiefung unter den fünf in diesem Artikel genannten Prüfmethoden. Es kann auf einer größeren Oberfläche der Probe getestet werden. Dies kann eine durchschnittliche Härteprüfung auf einer größeren Oberfläche des Materials ermöglichen, was den Vorteil hat, dass die Unregelmäßigkeiten der Metalloberfläche und der Kristallkörner berücksichtigt werden. Der Brinell-Härtetest ist jedoch langsamer als andere Testmethoden und hinterlässt einen großen bleibenden Eindruck auf dem Prüfling.

5 Methoden zur Messung der Härte von Materialien und deren technische Unterschiede

Rockwell-Härteprüfung

Der Rockwell-Härtetest bewertet die Härte eines Materials durch Messung der Tiefe der bleibenden Eindrückung, die durch Aufbringen einer konzentrierten Last erzeugt wird. Je höher die Zahl auf der Rockwell-Härteskala, desto härter das Material. Der Test wird durchgeführt, indem ein Diamantkegel oder ein Stahlkugeleindringkörper verwendet wird, um eine kleine Kraft von 10 kg auf die Oberfläche des Materials auszuüben. Die Eindringtiefe der Vorlast wird erfasst und als Bezugspunkt verwendet.

Anschließend die angegebene Hauptlast innerhalb der angegebenen Verweilzeit aufbringen und weiter in den Prüfling einpressen. Die durch die Hauptlast verursachte Differenz zwischen der Referenzposition und der Eindringtiefe wird berechnet und als bleibende Eindringtiefe aufgezeichnet.

Die Rockwell-Härte wird nach der folgenden Formel berechnet:

Rockwell-Härte, HRC = [0.2-permanente Eindrucktiefe (mm)] x 500

Der Rockwell-Härtetest wurde entwickelt, um weniger zerstörend und kostengünstiger zu sein als der Brinell-Test. Die Verwendung verschiedener Tiefen zur Messung der Härte hilft, Fehler aufgrund von Oberflächenfehlern zu vermeiden. Zudem kann der Härtewert ohne zusätzliche optische Geräte abgelesen werden, was ihn zu einem der gängigsten Härteprüfverfahren macht.

Vickers Härteprüfung

Bei der Vickers-Härteprüfung wird ein vierseitiger Pyramideneindringkörper verwendet, um eine genau definierte konstante Kraft auf die Probe auszuüben, um die Oberfläche des Eindrucks zu bewerten. Die Probe wird zunächst angehoben, bis sie mit dem Eindringkörper in Kontakt kommt. Dann übt der Eindringkörper die Prüfkraft auf die Probe aus und erhöht sich langsam, bis der vorgegebene Wert erreicht ist. Halten Sie diese Kraft dann für eine angemessene Verweilzeit aufrecht und berechnen Sie die Oberfläche des Diamant- oder Quadrateindrucks.

Verwenden Sie dann die folgende Formel, um die Vickers-Härte des Materials zu berechnen:

Vickers-Härte, HV = aufgebrachte Prüfkraft (kg-Kraft) ÷ Oberfläche des Eindrucks (mm2) oder, HK=1.854 x (F/D2)

Durch die Verwendung von Diamant-Eindringkörpern anstelle von Kugeln (wie Brinell- und Rockwell-Härteprüfung) kann die Vickers-Härteprüfung mit weniger Kraftaufwand und höherer Genauigkeit erzielt werden. Durch Vergrößerung der Oberfläche des zu prüfenden Metalls kann der Test verwendet werden, um Mikrostrukturkomponenten wie Martensit oder Bainit einzuschließen. Da der Vickers-Härtetest den Einsatz von Optiken und Messgeräten sowie eine Materialvorbereitung erfordert, sind die Kosten oft höher als bei anderen Härtetests und die Durchführung dauert länger als der Rockwell-Test.

Knoop-Härtetest

Der Knoop-Härtetest ist dem Vickers-Härtetest sehr ähnlich, d. h. es wird ein Diamant/Pyramiden-Eindringkörper verwendet, um für eine bestimmte Zeit auf dem Prüfmaterial zu verbleiben. Der Knoop-Eindringkörper ist jedoch ein schlanker Diamant, sodass spröde Materialien und dünne Schichten rissfrei geprüft werden können.

Die Hauptdiagonale des Knoop-Eindringkörpers ist etwa dreimal länger als die Vickers-Diagonale, und die Eindringtiefe des Materials ist etwa halb so groß wie die des Vickers-Tests, sodass er eher für die Prüfung von spröden Materialien wie Keramik geeignet ist.

Der Knoop-Härtetest erzeugt einen trapezförmigen Eindruck, eine der diagonalen Linien ist siebenmal länger als die andere.

Die Knoop-Härte wird nach folgender Formel berechnet:

Knoop-Härte, HK = aufgebrachte Prüfkraft (kg-Kraft) ÷ Oberfläche des Eindrucks (mm2) oder, HK=14.229 x (F/D2)

Härtetest nach Mohs

Der Härtetest nach Mohs unterscheidet sich von den zuvor erwähnten Tests dadurch, dass er nicht die durch den Eindringkörper ausgeübte Kraft beinhaltet. Dieser Test misst die relative Härte eines Materials, indem seine Widerstandsfähigkeit gegen das Kratzen durch andere Substanzen bestimmt wird. Entwickelt vom deutschen Geologen und Mineralogen Friedrich Morse, wird die Härte eines Materials dadurch bestimmt, ob seine Oberfläche von einem anderen Material bekannter Härte zerkratzt werden kann.

Diesem Merkmal wird ein Zahlenwert zugeordnet, indem die Härtetabelle (Mohs-Härtetabelle) aus 10 Mineralien geordnet wird. Je höher die Zahl auf der Skala, desto härter das Mineral. Wird beispielsweise eine Substanz mit unbekannter Härte von Orthoklas zerkratzt, aber nicht von Apatit, liegt ihre Mohs-Härte zwischen 5 und 6.

Das Härteinkrement auf der Mohs-Härteskala ist sehr willkürlich, nicht linear oder proportional. Aus diesem Grund werden die meisten dieser Tests nur verwendet, um die relative Härte von Mineralien zu bestimmen, nicht von anderen Materialien wie Metallen.

Zusammenfassen

Bei der Definition der Härte von Werkstoffen gibt es keine universelle Messmethode, Skala oder Einheit. , Jede Prüfmethode hat ihre eigene eindeutige willkürliche Skala, um die Härte zu definieren. Das Verständnis der Vor- und Nachteile jedes Tests ist der Schlüssel zur Bestimmung, welche Methode für das zu testende Material am besten geeignet ist.

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