Materialhärte verstehen: Schlüsselinsights für Projekterfolg

Die Eignung des für ein Teil verwendeten Materials ist entscheidend dafür, dass das Teil in seiner vorgesehenen Umgebung funktionieren kann. Ein solches Material, das die Eignung für das Projekt bestimmt, ist die Härte des Materials. Sie entscheidet, ob Ihr Projekt ein Material mit hoher Härte wie Stahl oder weichere Materialien erfordert.

Wir alle wissen, dass die Verwendung falscher Materialien in einem Projekt katastrophale Auswirkungen haben kann – besonders wenn das gefertigte Teil Teil eines größeren Projekts ist. Daher ist die Bewertung der Härte Ihres Materials vor der Produktion unverzichtbar.

Wenn Sie einen Stoff benötigen, der hoher Eindringung oder Abrieb ohne Verformung standhält, sollten Sie harte Materialien wählen. Materialien mit hoher Härte sind jedoch nicht zwangsläufig für alle Projekte geeignet. Sie sollten ein Experten-Bearbeitungsunternehmen konsultieren, um zu erfahren, was für Ihr Projekt passend ist.

Was ist Materialhärte?

Materialhärte ist die Fähigkeit eines Materials, Kraft ohne Verformung, Kratzen, Eindringen und Einpressen zu widerstehen. Anders ausgedrückt: die Fähigkeit eines Materials, seine physikalischen Eigenschaften auch unter aufgebrachter Kraft beizubehalten.

Härte variiert stark zwischen Materialien – Stahl hat beispielsweise höhere Härte als Zinn. Auch nicht-metallische Materialien wie Holz und Kunststoffe weisen weichmetallähnliche Eigenschaften auf.

Die Härte von Materialien hängt von mehreren Faktoren ab: Plastizität, elastische Steifigkeit, Duktilität, Zähigkeit, Dehnung, Festigkeit, Viskoelastizität und Viskosität.

Welche Arten von Materialhärte gibt es?

Materialien verhalten sich unter verschiedenen Bedingungen unterschiedlich. Ein Material kann einen massiven einmaligen Aufprall verkraften, aber kontinuierlicher Belastung nicht standhalten. Daher müssen Sie Materialhärte passend zu Ihren Projektanforderungen testen.

Wir können Materialhärte in drei Kategorien einteilen. Materialien haben unter diesen verschiedenen Härtearten unterschiedliche Werte. Sie umfassen:

• Kratzhärte (Scratch Hardness)
• Rückprallhärte (Rebound Hardness)
• Eindringhärte (Indentation Hardness)

Kratzhärte

Zerspaner definieren Kratzhärte als die Fähigkeit eines Materials, Kratzer auf der Oberfläche zu widerstehen. Kratzer sind schmale, kontinuierliche Linien auf der Materialoberfläche. Wenn ein scharferes, starreres Material über die Oberfläche eines weicheren Materials streift, verursacht es Kratzer.

Zerspaner nutzen Kratztests für spröde Materialien wie Keramik. Manche Materialien erreichen keine plastische Verformung, können aber Kratzer nicht widerstehen. Einige Designs sind kratzempfindlich; daher benötigen Sie ein Material mit hoher Kratzhärte.

Beispielsweise können bestimmte Maschinenteile Reibung erfordern. Ein Material mit niedriger Kratzhärte wäre hier unzureichend, da bereits geringe Reibung die glatte Oberfläche zerstört und schließlich die Gesamtfunktionalität der Maschine beeinträchtigt. Das bedeutet häufigere Reparaturen und höhere Kosten. Dies können Sie verhindern, indem Sie einen Kratzhärtetest durchführen, um zu prüfen, ob das Material der Reibung standhält und seine glatte Oberfläche behält.

Rückprallhärte

Ein Synonym dafür ist dynamische Härte, und sie ist eher elastische als plastische Härte. Elastische Härte bedeutet, dass ein Material sich nicht dauerhaft verformt. Es verliert seine Form nur unter äußerer Krafteinwirkung. Sobald die äußere Kraft entfernt wird, gewinnt es automatisch seine ursprüngliche Form zurück. Das gilt nicht für plastische Verformung, wo das Material seine ursprüngliche Form nicht zurückerlangt. Daher ist Rückprallhärte eher elastische Härte.

Rückprallhärte erfordert, dass das Material die Energie beim Aufprall aufnimmt und an den Eindringkörper zurückgibt. Zerspaner nutzen einen Eindringkörper (Indenter) zum Testen der Rückprallhärte. Der als Indenter verwendete Material hat eine bekannte Härte, die Zerspaner mit der des zu messenden Materials vergleichen.

Sie können die Rückprall- oder dynamische Härte eines Materials messen, indem Sie einen diamantbesetzten Hammer darauf fallen lassen. Dann misst man den Rückprall des Hammers nach dem Aufschlag. Wenn der Hammer nahe der ursprünglichen Fallhöhe zurückkehrt, hat das Material einen hohen Rückprallhärtewert. Kehrt der Hammer nicht nah an die Fallhöhe heran, hat das Material eine niedrige Rückprallhärte.

Eindringhärte

Zerspaner nutzen Eindringhärte, um die Härte eines Materials gegen Verformung zu bestimmen. Es erfordert, das untersuchte Material mit einer kontinuierlichen Last einzudrücken, bis ein Eindruck entsteht. Zerspaner führen Eindringhärtetests auf mikroskopischer und makroskopischer Skala durch, abhängig vom getesteten Material und seinem Verwendungszweck.

Wenn Ingenieure und Metallurgen über Materialhärte sprechen, meinen sie oft Eindringhärte. Die Messung des Eindringwerts hilft Ihnen zu wissen, wie viel Last das Material tragen kann, bevor es sich verformt.

In welcher Einheit wird Materialhärte gemessen?

Manche Zerspaner verwechseln oft die SI-Einheiten der Härte mit denen des Drucks. Erstere hat die SI-Einheit N/mm², auch Pascal genannt. Letztere hat die SI-Einheit N/m² oder kg·m⁻¹·s⁻².

Jede der besprochenen Härtearten hat unterschiedliche Messskalen. Die Einheiten leiten sich von jeder Messmethode ab; daher sind sie nicht für direkten Vergleich geeignet. Dennoch gibt es Umrechnungstabellen, die man für Vergleiche nutzen kann. Wir sagen „nutzen“, weil der Vergleich nicht 100 % genau sein kann, aber eine geeignete Indikation gibt.

Gängige Einheiten für Härtemessung sind Brinell-Härtezahl (HB), Rockwell-Härtezahl (HRA, HRB, HRC etc.), Leeb-Härtewert (HLD, HLS, HLE etc.) und Vickers-Härtezahl (HV). Wir haben einen Vergleich der Messmethoden in der Tabelle unten erstellt.

Wie man Materialhärte testet

Jede Art von Materialhärte wird anders gemessen. Im Folgenden wird beschrieben, wie man jede Art testet:

Der Brinell-Test

Dies ist ein gängiger Härtetest, den Zerspaner nutzen. Zuerst macht sich der Zerspaner mit der Prüfmaschine vertraut. Er nimmt alle notwendigen Einstellungen am Monitor vor, bevor er den Test durchführt.

Das Prinzip: Eine Stahlkugel von 10 mm Durchmesser wird verwendet, um einen Eindruck auf dem Prüfstück zu erzeugen. Der Eindruck wird dann berechnet, um die Brinell-Härtezahl des Materials zu ermitteln.

Die Maschine senkt die Kugel auf das Material, um eine Eindrückung zu formen, und belässt sie für ca. 30 Sekunden. Der Zerspaner übt dann eine Kraft auf die Kugel aus. Die Art des zu testenden Metalls bestimmt die aufgebrachte Kraft.

Manche Metalle erfordern eine Last von 500 kg, andere bis zu 3000 kg als Standardlast. Wenn der Eindringkörper entfernt wird, misst der Ingenieur seine Größe durch Beobachtung mit einem Niedrigleistungsmikroskop. Er blendet andere Bereiche aus und berechnet den Durchschnitt der Messungen im rechten Winkel.

Nach Abschluss des Tests berechnet der Zerspaner die Härtezahl mithilfe der Brinell-Härteberechnungsformel.

Wobei:

F – Kraft, N

D – Eindringkörperdurchmesser, mm

d – Eindrückungsdurchmesser, mm

Rockwell-Härtetest

Dies ist ein weiterer gängiger Härtetest. Das getestete Material bestimmt die Art der verwendeten Skala.

Es gibt 30 verschiedene Skalen zur Auswahl; Sie können jede für Ihr Material passende wählen. Die am häufigsten verwendeten Skalen sind jedoch „B“ und „C“.

Der Prüfer wendet zuerst eine Vorlast an, bevor er die Prüflast aufbringt. Die Vorlast hilft, den Eindringkörper適切 in die Probe zu fixieren und Oberflächenunregelmäßigkeiten für ein präziseres Ergebnis zu eliminieren.

Dann senkt er den Eindringkörper in das Material, um durch Aufbringen der Hauptlast einen Eindruck zu erzeugen. Er misst den Eindruck, um die Härte zu bestimmen. Der Prüfer ermittelt dann die erhöhte Eindringtiefe durch Berechnung des Härtewerts.

Die Formel für Rockwell-Härte lautet:

Wobei:

N – Skalenfaktor abhängig von der verwendeten Skala

s – Skalenfaktor abhängig von der verwendeten Skala

d – Tiefe der bleibenden Eindrückung im Vergleich zur Vorlast, mm

Vickers-Härtetest

Dies ist eine weitere Methode zur Härtemessung. Sie eignet sich besser für weiche Materialien, die geringere Lasten erfordern. Wenn Sie bessere Genauigkeit für Ihre weichen Materialien benötigen, ist der Vickers-Test am besten.

Vickers verwendet einen einzelnen Diamanteindringkörper für alle Materialien, was die Berechnungen vereinfacht.

Der Prüfer muss sich zuerst mit der Maschine vertraut machen. Das Teil wird dann auf die Maschine gelegt, um mithilfe des Mikroskops eine geeignete Höhe zu finden. Sie können den richtigen Platz durch Überprüfung der Bilder auf dem Bildschirm bestimmen. Wenn Sie ein fokussierteres Bild haben, ist es gut eingestellt.

Der Diamanteindringkörper wird auf das Teil gesenkt und für einen festgelegten Zeitraum belassen.

Heben Sie den Eindringkörper an und messen Sie den Eindrückungswert mit der untenstehenden Formel:

Wobei:

F – Kraft, N

d – Eindrückungsdiagonale, mm

Mohs-Härtetest

Wenn Sie die Kratzhärte messen möchten, ist dies eine geeignete Methode. Traditionell wird dieser Test durchgeführt, indem man das Material an einem Referenzmaterial mit bekannter Härte kratzt. Der Mohs-Härtetest verwendet zehn Referenzmaterialien mit unterschiedlicher Härte. Das zu testende Material bestimmt das zu verwendende Referenzmaterial. Das Ergebnis wird durch Zuweisung eines numerischen Härtewerts an das Testmaterial erhalten.

Talk ist das weichste Material mit Wert 1. Das härteste Material ist Diamant mit Wert 10.

Ein Rockwell-Diamanteindringkörper wird für den modernen Mohs-Härtetest verwendet. Das Funktionsprinzip der Maschine ähnelt der traditionellen Methode. Es beinhaltet das Kratzen des Prüfstücks für einen festgelegten Zeitraum durch eine geeignete Last.

Scleroscope-Test

Sie können den Scleroscope nutzen, um die Rückprallhärte von Materialien zu bestimmen. Führen Sie diesen Test durch, indem Sie ein hohles vertikales Glasrohr mit einem Ständer verbinden. Dann lassen Sie einen Diamanthammer durch das Rohr auf das Prüfstück fallen. Der Hammer prallt ab, und die Höhe des Rückpralls ist das, was Sie messen und aufzeichnen. Materialien mit höherer Härte haben höheren Rückprall, weiche Materialien niedrigen.

Materialhärte-Tabelle

Eine Materialhärte-Tabelle ist eine der einfachsten Möglichkeiten, die Härte gängiger Materialtypen zu bestimmen. Die Tabelle gibt die Härtewerte dieser verschiedenen Materialien mit verschiedenen Messmethoden an. Zum Beispiel zeigt die obige Tabelle die Härtewerte von Metallen wie Aluminium und Titan mit Messmethoden wie der Brinell-Skala. So müssen Sie die Härte Ihres Rohmaterials nicht selbst bewerten, wenn Sie eines von der Liste verwenden.

Sie müssen jedoch sicherstellen, dass die verwendete Tabelle unter Standardbedingungen erstellt wurde.

Fazit

Es ist essenziell, einen properen Materialhärtetest durchzuführen, wenn Sie ein geeignetes Material für Ihr Projekt wünschen. Es gibt verschiedene Wege, die Härte Ihres Materials zu testen. Konsultieren Sie ein Expertenunternehmen für professionellen Rat zur Härte Ihres Materials.

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