Materialhärte verstehen: Ein Leitfaden zum Vergleich von Werkstoffen

Der Produktentwicklungsprozess umfasst mehrere Teilprozesse, wobei die Materialauswahl der wichtigste unter ihnen ist.

Jeder Werkstoff hat unterschiedliche mechanische Eigenschaften und Fähigkeiten. Um die richtige Materialwahl zu treffen, müssen Sie die Art der Belastungsbedingungen bestimmen, denen Ihr Teil ausgesetzt sein wird. Wenn Sie beispielsweise ein Teil (oder eine Baugruppe) entwerfen, das mit anderen Komponenten in Kontakt kommt oder Stoßbelastungen erfährt, sollten Sie einen Werkstoff mit ausreichender Materialhärte wählen.

Was genau ist Materialhärte und wie misst man sie? Dieser Artikel beantwortet diese Fragen und mehr.

Was ist Materialhärte?

Materialhärte ist die Fähigkeit eines Materials, lokaler plastischer Verformung durch konzentrierte aufgebrachte Lasten standzuhalten.

Betrachten Sie es so: Wenn wir sagen, ein Material habe einen hohen Härtegrad, bedeutet das einfach, dass das Material seine Form bei Einwirkung äußerer Kräfte wie Kratzen, Eindrücken und Abrieb behalten kann. So hätten Materialien wie Titan und Diamant einen höheren Härtegrad als Kunststoff.

Beim Vergleich von Diamant und Kunststoff wissen Sie wahrscheinlich intuitiv, welches Material härter ist. Wenn Sie jedoch zwischen eng verwandten Metallen (oder Legierungen) wählen möchten, ist es fast immer unmöglich, ohne Härteprüfung eine korrekte Einschätzung zu treffen.

Es gibt mehrere Methoden zur Prüfung der Materialhärte. Bevor wir diese Methoden besprechen, ist es wichtig, dass Sie zunächst die Arten der Materialhärte verstehen.

Arten der Materialhärte

Hier sind die drei Arten der Materialhärte:

1. Eindringhärte
2. Kratzhärte
3. Rückprallhärte

Eindringhärte bezeichnet den Widerstand eines Materials gegen dauerhafte Verformung bei kontinuierlicher Belastung. Im Gegensatz dazu beschreibt Kratzhärte die Fähigkeit eines Materials, Kratzer auf seiner Oberfläche durch Kontakt mit einem anderen Metall zu widerstehen. Schließlich ist Rückprallhärte mit der Elastizität des Materials verbunden; sie beschreibt die Fähigkeit eines Materials, Aufprallenergie zu absorbieren.

Sobald Sie die Art der Belastungs- (oder Umgebungs-) Bedingungen kennen, denen Ihr Teil ausgesetzt sein wird, können Sie eine der folgenden Härteprüfmethoden in Betracht ziehen, um Ihre Materialoptionen zu vergleichen. Wenn Sie über die notwendige Ausrüstung verfügen, können Sie diese Tests selbst durchführen. Oder Sie verlassen sich auf Informationen Ihrer Lieferanten und Online-Ressourcen wie Matweb, die die Eigenschaften verschiedener Materialien auflisten.

Wie man die Härte von Materialien testet: 4 Prüfmethoden

Methode #1: Der Brinell-Test

Ein Brinell-Härteprüfgerät von Wikimedia Commons.

Der Brinell-Test misst die Eindringhärte eines Materials. Dieses Prüfverfahren verwendet einen Eindringkörper (meist eine gehärtete Stahlkugel), um einen Eindruck auf einem Prüfstück zu erzeugen. Bei dieser Methode halten Sie den Eindringkörper in Position, bevor Sie eine vordefinierte Kraft für einen bestimmten Zeitraum in die Kugel (und die Materialoberfläche) einbringen.

Anschließend ordnen Sie dem Material eine Brinell-Härtezahl zu, basierend auf der Größe des entstandenen Eindrucks. Sie können den Eindruck mit einem Mikroskop messen und die Brinell-Härtezahl berechnen mittels:

Wobei:
HB = Brinell-Härte (kg/mm²)
P = Kraft (gemessen in Newton)
D = Eindringkörperdurchmesser (gemessen in Millimetern)
d = Eindruckdurchmesser (gemessen in Millimetern)

Beachten Sie jedoch, dass die auf den Eindringkörper anzuwendende vordefinierte Kraft vom zu prüfenden Material abhängt. Qualitätskontrollexperten verwenden beispielsweise für harte Metalle wie Eisen und Stahl typischerweise eine Standardlast von 3000 kg (oder 30.000 N). Für weichere Materialien wie Kupfer und Messing sollten Sie eine Last von 500 kg (oder 5000 N) anwenden.

Methode #2: Rockwell-Härteprüfung

Bediener führt eine Rockwell-Härteprüfung durch

Wie der Brinell-Härteprüfung wird auch die Rockwell-Härteprüfung zur Messung der Eindringhärte verwendet und umfasst typischerweise einen Eindringkörper (meist Stahlkugel oder eine sphärische diamantbesetzte Kegelspitze).

Im Gegensatz zum Brinell-Test halten Sie beim Rockwell-Test den Eindringkörper durch Anlegen einer Vorlast (typischerweise 10 kg oder 100 N) in Position, bevor Sie die Hauptprüflast anlegen. Nach Entfernen der Hauptlast messen Sie die Eindringtiefe, während die Vorlast noch anliegt.

Die Härtezahl kann dann mittels verschiedener Rockwell-Härteskalen (A, B, C usw.) abgelesen werden. Die ideale Skala hängt vom verwendeten Eindringkörper und der auf das Material angewendeten Prüfkraft ab. Wenn Sie beispielsweise die Härte von Stahllegierungen messen möchten, müssten Sie einen Diamantkegel-Eindringkörper mit bis zu 140 kg Hauptlast verwenden. In diesem Szenario lesen Sie die Härtezahl auf der „C“-Skala ab.

Für weichere Metalle wie Kupferlegierungen verwenden Qualitätskontrollexperten eine diamantbestückte Stahlkugel (mit bis zu 100 kg Hauptlast) und lesen die Härtezahl auf der „B“-Skala ab.

Methode #3: Mohs-Härteprüfung

Die Mohs-Härteprüfung eignet sich ideal zur Messung des Kratzwiderstands eines Materials. Bei diesem Prüfverfahren ritzen Sie die Oberfläche des zu prüfenden Materials mit einem Referenzmaterial vordefinierter Härte an. Der Härtewert wird mittels der Mohs-Skala ausgedrückt, die aus 10 Mineralien besteht, denen willkürliche Härtewerte zugewiesen wurden.

Die vollständige Mohs-Härteskala finden Sie bei Alan's Factory Outlet

Alan's Factory Outlet bietet eine Mohs-Härteskala (Screenshot oben), auf der Sie Beispiele für den Kratzwiderstand verschiedener Metalle sehen können.

Methode #4: Shore-Scleroskop-Härteprüfung

Das Shore-Scleroskop ist ein Gerät zur Messung der Rückprallhärte eines Materials. Das Gerät verfügt über ein abgestuftes Glasrohr, das auf einem Ständer montiert ist. Um die Rückprallhärte Ihres Materials zu bestimmen, lassen Sie einen diamantbesetzten Hammer durch das Glasrohr auf das Material fallen.

Schematische Darstellung des Shore-Scleroskops auf einem Stativ. Von Wikimedia Commons.

Der Härtewert ist proportional zur Höhe, auf die der Hammer nach dem Aufprall auf das Prüfstück zurückspringt. Ein Material mit höherer Härte verursacht beispielsweise eine größere Rückprunghöhe als ein Material mit geringerem Härtegrad.

Materialhärteprüfung und Produktentwicklung: Gensun Precision Machining Services

Ohne Zweifel ist es essenziell, die Härte verschiedener Materialien zu kennen, um den idealen Werkstoff für Ihr Produktdesign zu bestimmen. Doch auch nachdem Sie einen geeigneten Werkstoff gewählt haben, müssen Sie noch einen passenden Maschinenbauer und Zerspaner finden, der Ihre Teile präzise und genau fertigen kann.

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