Härtemessung von Metallen: Rockwell-, Brinell-, Vickers-, Knoop- und Leeb-Tests

In den Material- und Ingenieurswissenschaften ist die Härteprüfung entscheidend für die Bewertung der Widerstandskraft eines Materials gegenüber Verformungen, was zudem direkt die Haltbarkeit, die Verschleißfestigkeit und weitere Auswirkungen auf die Leistung beeinflusst. Das Verständnis der Härte eines Materials ist dabei entscheidend für die Entscheidung über die Eignung eines Materials für bestimmte Aufgaben.

Das am häufigsten referenzierte Prüfverfahren, dass ich in Materialdatenblättern findet, ist die Rockwell-Härte, danach folgen Brinell und Vickers, wobei Rockwell am häufigsten zu finden ist, weil es insbesondere im industriellen Umfeld geradlinig und schnell eingesetzt werden kann. Leeb – und Knoop – Prüfverfahren für Härte haben spezialisierte Einsatzgebiete und werden dementsprechend weniger oft in einem normalen Materialdatenblatt erwähnt, da die besonderen Anwendungsgebiete auch dafür nötigen Prüfumgebungen deutlich spezieller sind.

Vergleich der Härteprüfverfahren

Es folgt eine schnelle Vergleichstabelle für die Gegenüberstellung der verschiedenen Härteprüfverfahren im Hinblick auf geeignete Materialien, Vorteile, Nachteile, Anwendungen, Lastbereiche, Eindringtyp und die anwendbaren Normen.

Härteprüfungen – Umrechentabelle

Die folgenden Werte basieren auf allgemein akzeptierten Umrechenverfahren wie ASTM E140, das eine Richtlinie für die Konvertierung von Härtegraden zwischen verschiedenen Skalen wie der von Rockwell, Brinell und Vickers vorgibt. Die genauen Werte können dabei leicht in Abhängigkeit vom Material und den spezifischen Prüfbedingungen variieren. Falls ein Wert zwischen zwei Härtegrade fällt, dann interpolieren Sie bitte einfach die Ergebnisse, um zu einem geschätzten Ergebnis zu kommen.

Eine Umrechnungstabelle ist insbesondere dafür nützlich, ein standardisiertes Verfahren zur Verfügung zu stellen, anhand dessen man die verschiedenen Prüfergebnisse vergleichen kann, und somit eine Konsistenz über die verschiedenen Prüfmethoden und Branchen hinweg zu gewährleisten (die nachstehenden Angaben sind ein Näherungswert).

Auswahl des besten Härteprüfverfahrens für Ihr Anwendungsgebiet

Die folgende Tabelle gewährt Ihnen einen Überblic über verschiedene Materialien, inklusive Metalle, zusammen mit den entsprechenden Prüfverfahren, die auf jedes entsprechend anzuwenden wären. Diese Tabelle kategorisiert dabei Materialien anhand ihrer Fähigkeit ein bestimmtes Härteprüfverfahren zu durchlaufen, also wie Rockwell, Brinell, Vickers oder weitere. 

Diese präzise Aufschlüsselung dient Ihnen bei der passenden Auswahl eines geeigneten Prüfverfahrens für verschiedene Materialien, stellt genaue und zuverlässige Messungen sicher.

Obwohl in dieser Tabelle nur die Härteprüfung von Metallen abgebildet wurde, können auch Polymere und Elastomere durch verschiedene Verfahren geprüft werden. (z.B. Shore-Härte).

Härteprüfung nach Rockwell

Bei der Rockwell – Härteprüfung handelt es sich um ein weitverbreitetes Prüfverfahren, das aufgrund seiner Geschwindigkeit, Einfachheit und Effizienz zur Prüfung der Materialeigenschaft Härte insbesondere in Prüfumgebungen mit hohen Stückzahlen eingesetzt wird. Es liefert direkt ein Messergebnis, ohne dass zusätzliche Berechnungen erforderlich sind, und ist somit ideal für routinemäßige Qualitätskontrollen. 

Der Rockwell-Test eignet sich dabei besonders gut für härtere Materialien wie Stähle oder Legierungen, bei denen kleinere Eindringtiefen und die Genauigkeit der Messung der Eindringtiefe zuverlässige Ergebnisse liefern können. Das Verfahren erfordert zudem weniger Kompetenzen beim Bediener und verringert somit die Wahrscheinlichkeit menschlicher Fehler im Vergleich zu anderen Methoden wie z.B. Brinell, was es zu einer bevorzugten Wahl in Produktionsumgebungen, in denen Geschwindigkeit und Benutzerfreundlichkeit entscheidend sind.

Rockwell – Härteskalen

Rockwell-Methodik

Die Rockwell-Härteprüfung beinhaltet das Aufbringen einer bestimmten Sequenz an Lasten auf das Material sowie die darauf folgende Messung der Tiefe der daraus entstandenen Vertiefungen, aus denen dann die Härte abgeleitet wird. Das Verfahren läuft folgendermaßen ab

1. Vorlast aufbringen
   • Start by applying a minor load of 10 kgf to the material.
   • This initial load helps establish a consistent starting point and eliminates surface irregularities.
2. Stabilisieren Sie die Last
   • Warten Sie ab, dass sich die geringe Last stabilisiert, und stellen Sie sicher, dass der Eindringkörper korrekt auf dem Material positioniert ist.
3. Wenden Sie die Hauptlast an
   • Sobald die geringe Laste stabil ist, wenden Sie die Hauptlast an.
   • Die Hauptlast reicht von 60 bis 150 kgf, je nachdem, welche Rockwell-Skala sie verwenden.
   • Diese Last bewirkt eine stärkere Vertiefung im Material.
4. Halten Sie die Last
   • Halten Sie die Last für den vorbestimmten Zeitraum aufrecht.
   • Dies erlaubt es dem geprüften Material, möglichst vollständig auf die ausgeübte Kraft zu reagieren.
5. Entfernen Sie die Hauptlast
   • Nachdem die erforderliche Zeit abgelaufen ist, entfernen Sie die Hauptlast, während die Vorlast bzw. Nebenlast bestehen bleibt.
6. Messen Sie die Vertiefung
   • Measure the depth of the final indentation relative to the initial minor load position.
   • The measurement is recorded in 0.002 mm units.

Der von der Prüfmaschine automatisch ermittelte Rockwell-Härtegrad spiegelt diese Tiefe wider – höhere Werte zeigen dabei härtere Materialien mit geringen Eindringtiefen, während weichere Materialien niedrigere Werte und entsprechend größere Eindringtiefen aufweisen.

Fehlerbehebung

• Vorbereitung der Oberfläche: Stellen Sie sicher, dass die Prüfoberfläche sauber, glatt und frei von Verunreinigungen oder Beschichtungen ist, die den Eindringvorgang beeinflussen könnten.
• Kalibrierung: Kalibrieren Sie regelmäßig das Prüfgerät und prüfen Sie es auf mechanische Probleme mit dem Eindringkörper oder dem Lastsystem.
• Ordnungsgemäße Belastung: Prüfen Sie, ob sowohl die Vor- als auch die Hauptlast korrekt aufgebracht werden, und vermeiden Sie übermäßige Kraftanwendung, die die Oberfläche beschädigen könnte, aber auch eine Unterbelastung, die zu ungenauen Messwerten führt.

Härteprüfung nach Brinell

Der Brinell-Härtetest ist ideal für die Härtemessung bei Metallen, die eine grobe oder inhomogene Kornstruktur aufweisen, wie zum Beispiel Gusseisen oder weichere Metalle wie Aluminiumlegierungen. Das Verfahren misst dabei den Durchmesser einer größeren Vertiefung, die die Variationen in der Feinstruktur des Materials mittelt, und somit eine repräsentativere Angabe zur Härte Materialien mit ungleichmäßigen Eigenschaften bietet. 

Brinell ist dabei besonders nützlich für die Prüfung weicherer Materialien, oder falls ein größerer Vertiefungsbereich für die Analyse erforderlich ist. Im Gegensatz dazu eignet sich die Härteprüfung nach Rockwell eher für härtere Materialien, für die schnelle und direkt verfügbare Messergebnisse erforderlich sind. Dies ist jedoch ggf. ungenauer bei Materialien mit veränderlichen Mikrostrukturen.

Brinell-Härteskalen

Methodik

Bei der Messung der Härte nach Brinell wird die Härte des Materials anhand des Durchmessers einer Vertiefung ermittelt, die von einer gehärteten Stahl- oder Hartmetallkugel unter einer bestimmten Last verursacht wird. Die Last reicht dabei normalerweise von 500 bis 3.000 kgf und wird für 10 bis 15 Sekunden auf die Materialoberfläche angewendet, um der Kugel genug Zeit zu geben, das Material zu penetrieren und eine Vertiefung zu erzeugen. 

Nachdem die Last entfernt wurde, wird der Durchmesser der Vertiefung unter dem Mikroskop gemessen. Der Härtegrad nach Brinell wird anhand der aufgebrachten Last und der Größe der Oberfläche der Vertiefung ermittelt, wobei größere Durchmesser auf weichere Materialien hindeuten, während geringere Durchmesser auf härtere Materialien schließen lassen.

Fehlerbehebung

• Korrekte Kraftanwendung: Stellen Sie sicher, dass die korrekte Kraft für das zu prüfende Material angewendet wird, a sowohl zu viel als auch zu wenig Kraft zu einer inkorrekten Form der Vertiefung führen können.
• Homogenität des Materials: Materialhomogenität prüfen; inhomogene Materialien können zu entsprechend unregelmäßig geformten Vertiefungen führen.
• Genaue Messung: Verwenden Sie die passende Vergrößerung und Belichtung, um den Durchmesser genau zu messen. Damit vermeiden Sie Parallaxenfehler, indem Sie sicherstellen, dass die Messung direkt über der Vertiefung erfolgt.

Härteprüfung nach Vickers

Die Vickers-Härteprüfung ist eine vielseitige und präzise Methode, die für eine breite Fülle an Materialien geeignet ist. Von weichen Metallen bis hin zu harter Keramik ist sie besonders wertvoll für die Mikrohärteprüfung, bei der kleinräumige und genaue Messungen erforderlich sind. Das Verfahren nutzt eine Diamantpyramide als Eindringkörper und erzeugt damit in praktisch allen Materialien eine gleichmäßige Vertiefung, wodurch hochgenaue Messergebnisse gewährleistet werden. 

Anders als beim Brinell-Prüfverfahren, das für Materialien mit rauen körnigen Strukturen geeignet ist, oder dem Rockwell-Verfahren, das schnelle und hochvolumige Tests erlaubt, ist die Vickers-Methode am besten für das Prüfen sehr kleiner oder dünner Proben geeignet und liefert dabei detaillierte Angaben zur Mikrohärte. Dadurch ist es insbesondere in der Forschung, den Materialwissenschaften und eben jenen Anwendungen nützlich, bei denen es um feine Details und Präzision geht.

Vickers-Härteskalen

HV (Härtegrad nach Vickers) – Messungen können mit Lasten zwischen 1 gf (1 Pond) und 100 kgf (100 Kilopond) durchgeführt werden. Die Vielseitigkeit des Lastbereichs erlaubt dabei den Einsatz sowohl im Bereich der Mikrohärte als auch der Makrohärte.

Methodik

Die Härteprüfung nach Vickers misst dabei die Härte eines Materials anhand der Größe der Vertiefung, die von einem quadratischen pyramidenförmigen Eindringkörper aus Diamant unter bestimmten Lasten verursacht wird. Die Last reicht dabei von 1 gf bis zu 100 kgf und wird auf die Materialoberfläche ausgeübt, um eine quadratische Vertiefung zu erzeugen. Nach der Entfernung der Last werden die Diagonalen der Vertiefung unter einem Mikroskop ausgemessen. 

Der Vickers-Härtegrad HV wird dann basierend auf der aufgebrachten Last und der Fläche der Vertiefung berechnet. Auch hier deuten kleinere Vertiefungen auf härtere Materialien hin, während größere Vertiefungen auf weichere Materialien hinweisen, wobei die Materialprüfung besonders nützlich bei präzisen Messreihen zum Vergleich innerhalb einer breiten Palette an Materialien ist.

Härteprüfung nach Knoop

Der Knoop-Härtetest ist ein Prüfverfahren für die Mikrohärte, das bei spröden Materialien wie Keramik und Glas sowie für kleinere und dünnere Metallprofile eingesetzt wird. Es nutzt einen verlängerten rautenförmigen Eindringkörper, um eine flache und sehr schmale Vertiefung zu erzeugen, die ideal für die Messung der Härte von dünnen Schichten oder Beschichtung im Mikromaßstab geeignet ist, ohne übermäßige Schäden zu verursachen.

Die Prüfung nach Knoop ist dabei insbesondere für sehr spröde Materialien geeignet, aber auch für Anwendungen, bei denen eine präzise Härtemessung in sehr kleinen Bereichen erforderlich ist. Wie zum Beispiel bei Querschnitten von Beschichtungen, Mikrostrukturen oder sehr dünnen Filmen, bei denen tiefere Vertiefungen als jene des Vickers-Verfahrens bereits Risse oder Brüche verursachen könnten.

Knoop-Härteskalen

Der Härtegrad nach Knoop (HK) kann mit Lasten von 10 gf bis zu 1.000 gf durchgeführt werden, wodurch sich eine detaillierte Härteanalyse spröder Materialien, aber auch dünner Beschichtungen ermitteln lässt.

Methodik

Das Knoop – Prüfverfahren misst die Materialhärte durch Bestimmung der Länge einer Vertiefung, die von einem länglichen rautenförmigen Eindringkörper unter einer leichten Last erzeugt wird. Die Last, die in der Regel von 10 bis 1.000 gf reicht, wird auf die Metalloberfläche aufgebracht und erzeugt dadurch eine kleine, längliche Vertiefung. Nach dem Entfernen der Last wird die Länge der rautenförmigen Vertiefung unter dem Mikroskop gemessen. 

Der Härtegrad nach Knoop (HK) errechnet sich dabei auf der Grundlage der Last und der Fläche der Vertiefung, wobei längere Vertiefungen ein weicheres Material anzeigen, und dementsprechend kleinere Vertiefungen für ein härteres Material sprechen. Dieses Prüfverfahren eignet sich besonders für spröde Materialien und dünne Beschichtungen.

Fehlerbehebung

• Ausrichtung des Eindringkörpers: Stellen Sie sicher, dass der Eindringkörper korrekt auf die Prüfoberfläche ausgerichtet ist, um schiefe oder nicht-zentrierte Vertiefungen zu vermeiden.
• Starke Vergrößerung: Stellen Sie eine möglichst passende große Vergrößerung im Rahmen der Messung unter dem Mikroskop ein, um insbesondere im Rahmen des Knoop-Verfahrens eine präzise Messung sicherzustellen.
• Gleichmäßige Belastung: Stellen Sie sicher, dass der Belastungsvorgang schrittweise und gleichmäßig erfolgt, um Variationen der Vertiefungsgröße und den daraus ermittelten Härtegraden zu vermeiden.

Härteprüfung nach Leeb

Die Leeb – Härteprüfung ist auch als Rückprall- oder Abprallhärtetest bekannt und nutzt das Zurückprallen eines Eindringkörpers zur Messung der Härte, statt sich auf die Größe der Vertiefung zu beziehen. Die Prüfeinrichtung ist tragbar und eignet sich ideal für Vor-Ort-Messungen bei großen und schweren Komponenten, und bietet dabei eine zerstörungsfreie Methode, die dementsprechend nur minimale Beschädigungen an fertigen Teilen oder ihren Beschichtungen verursachen kann. 

Die Prüfung nach Leeb ist sehr vielseitig und kann verschiedenste Materialien und Härtegrade anhand unterschiedliche Prüfkörper und Einschlagenergien prüfen. Es sorgt für schnelle und direkte Messergebnisse zum Härtegrad und benötigt dabei nur minimale Ausrüstung und Bedienerkenntnisse, wodurch es sehr effizient in jenen Anwendungsgebieten ist, in denen es um Geschwindigkeit, Anwenderfreundlichkeit und die Möglichkeiten für Feldtests geht.

Arten von Prüfkörpern

Die Ermittlung der sogenannten Leeb-Härte oder Leeb-Zahl (HL) kann unter Verwendung verschiedener Aufprallenergien erfolgen, die normalerweise von 5,5 mJ (Schlagkörper D) bis zu 74,5 mJ (Schlagkörper G) reichen, und hängt direkt vom verwendeten Schlag- bzw. Prüfkörper ab.

Methodik

Das Leeb – Verfahren misst die Härte anhand der Ermittlung der Rückprallgeschwindigkeit einer Wolframcarbidkugel, nachdem diese mit einer bestimmten Aufprallenergie auf die Materialoberfläche geprallt ist. Der Test nutzt dazu in der Regel einen Schlagkörper als Prüfkörper, der eine Aufprallenergie von 9,8 bis 74,5 in Abhängigkeit von der Art des Schlagkörpers aufweist. 

Nachdem die Kugel auf das zu prüfende Material aufgeprallt ist, wird die Rückprallgeschwindigkeit gemessen. Die Leebs-Zahl ergibt sich dann aus dem Verhältnis der Rückprall- zur Aufprallgeschwindigkeit. Eine höhere Rückprallgeschwindigkeit spricht hier dann für ein härteres Material, während eine geringere Rückprallgeschwindigkeit auf ein weicheres Material schließen lässt. Die Testeinrichtung ist dabei tragbar und somit ideal, um große und schwere Teile vor Ort zu prüfen.

Fehlerbehebung

• Auswahl d. Schlagkörper: Die Auswahl des passenden Schlagkörpers und seine Aufprallenergie auf das zu prüfende Material müssen angemessen ausgewählt werden, um entsprechend genaue Ergebnisse zu erhalten.
• Vorbereitung der Oberfläche: Die Oberfläche sollte glatt und frei von Ablagerungen sein; raue oder schmutzige Oberflächen können ansonsten einen zusätzlichen Energieverlust beim Aufprall verursachen, der dann zu verfälschten Ergebnissen führt.
• Aufprallwinkel: Stellen Sie zudem sicher, dass der Aufschlag immer rechtwinklig zur Oberfläche erfolgt, um zu verhindern, dass mit den Ergebnissen sprichwörtlich etwas schiefläuft.

Sicherstellung Genauer und Verlässlicher Härteprüfergebnisse

Um sicherzustellen, dass die Werte aus der Härteprüfung auch genau und verlässlich sind, beachten Sie bitte folgende Hinweise:

• Probenvorbereitung: Stellen Sie sicher, dass die Probenoberfläche richtig vorbereitet, frei von Verunreinigungen und dabei glatt und auch flach ist. Inkonsistente Oberflächenbedingungen können zu ungenauen Messergebnissen führen.
• Korrekte Aufbringung der Lasten: Stellen Sie sicher, dass die passende Last für das zu prüfende Material ausgewählt wurde. Bei Anwendung einer falschen Last kann die verursachte Vertiefung zu flach oder zu tief werden, und damit zu fehlerhaften Ergebnissen führen.
• Richtige Kalibrierung: Beachten Sie die Notwendigkeit für eine regelmäßige Kalibrierung der Härteprüfgeräte mit zertifizierten Referenzmaterialien. Die Kalibrierung hilft bei der Aufrechterhaltung der Genauigkeit im Laufe der Zeit.
• Zustand des Eindringkörpers: Überprüfen Sie regelmäßig die Eindringkörper auf Verschleiß Ein abgenutzter oder sogar beschädigter Eindringkörper erzeugt sehr schnell inkonsistent Ergebnisse und sollte sofort ersetzt werden.
• Ausrichtung: Stellen Sie sicher, dass die Eindringkörper richtig auf die Probe hin ausgerichtet sind. Eine fehlerhafte Ausrichtung kann zu einer ungleichmäßigen Belastung führen, die wiederum zu verfälschen Ergebnissen führt.
• Umgebungsbedingungen: Prüfen Sie die Prüfumgebung und ihr Umfeld im Hinblick auf die Temperatur und Luftfeuchtigkeit, da diese die Materialeigenschaften und somit die Prüfergebnisse beeinflussen kann.
• Vibrationen vermeiden: Positionieren Sie das Härteprüfgerät so auf einer stabilen Oberfläche, dass sie Vibrationen vermeidet, die zu Störungen im Eindringvorgang und daraus resultierend zu Messungenauigkeiten führen können.
• Konsistente Eindringzeiten: Folgen Sie den Anweisungen für die empfohlene Eindringzeiten für jedes individuelle Prüfverfahren. Veränderungen im Timing können die Größe der Vertiefungen verändern und somit das daraus resultierende Erbebnis.

Prüfergebnisse und zuverlässige Materialeigenschaften

Die Härteprüfung ist ein grundlegender Teil der Ermittlung und Prüfung von Materialeigenschaften in den Materialwissenschaften und im Ingenieurwesen, und bietet entscheidende Einblicke in die Widerstandskraft eines Materials gegenüber Verformungen, und somit seine generelle Haltbarkeit. Durch das Verständnis der Unterschiede in den einzelnen Härteprüfverfahren ist es Ihnen möglich, die richtige Methode für ein ganz spezifisches Material zu wählen, und somit in den anstehenden Anwendungen in der echten Welt eine bessere Leistung zu erzielen.

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