Die Eignung des für ein Teil verwendeten Materials ist sehr wichtig dafür, dass das Teil in seiner vorgesehenen Umgebung funktionieren kann. Eines dieser Materialien, das die Eignung eines Materials für das Projekt bestimmt, ist die Härte des Materials. Es bestimmt, 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, insbesondere wenn das hergestellte Teil Teil eines größeren Projekts ist. Daher ist die Beurteilung der Härte Ihres Materials vor der Produktion unerlässlich.
Wenn Sie einen Werkstoff benötigen, der starken Eindrücken oder Abrieb ohne Verformung standhält, sollten Sie sich für harte Materialien entscheiden. Allerdings sind Materialien mit hoher Härte nicht unbedingt für alle Projekte geeignet. Um herauszufinden, welches für Ihr Projekt geeignet ist, müssen Sie sich an ein spezialisiertes Zerspanungsunternehmen wenden.
Was ist Materialhärte?
Unter Materialhärte versteht man die Fähigkeit eines Materials, Kräften standzuhalten, ohne sich zu verformen, zu zerkratzen, einzudringen oder einzudrücken. Mit anderen Worten handelt es sich um die Fähigkeit eines Materials, seine physikalischen Eigenschaften auch unter Einwirkung von Kraft beizubehalten.
Die Härte variiert bei vielen Materialien, wobei Materialien wie Stahl eine höhere Härte aufweisen als andere wie Zinn. Einige andere nichtmetallische Materialien wie Holz und Kunststoffe weisen ebenfalls Weichmetalleigenschaften auf.
Die Härte von Materialien hängt von mehreren Faktoren ab, wie z. B. ihrer Plastizität, elastischen Steifigkeit, Duktilität, Zähigkeit, Dehnung, Festigkeit, Viskoelastizität und Viskosität.
Welche unterschiedlichen Materialhärten gibt es?
Materialien verhalten sich unter verschiedenen Bedingungen unterschiedlich. Beispielsweise kann ein Material einem großen einmaligen Aufprall standhalten, einer dauerhaften Belastung jedoch nicht standhalten. Daher müssen Sie die Materialhärte so einstellen, dass sie den Anforderungen Ihres Projekts entspricht.
Wir können die Materialhärte in drei Kategorien einteilen. Materialien weisen bei diesen unterschiedlichen Härtearten unterschiedliche Werte auf. Sie beinhalten:
- Kratzhärte
- Rückprallhärte
- Eindruckhärte
Kratzhärte
Maschinenbauer definieren Kratzhärte als die Fähigkeit eines Materials, Kratzern auf der Oberfläche zu widerstehen. Kratzer sind schmale durchgehende Linien auf der Oberfläche von Materialien. Wenn ein scharfes, steiferes Material durch die Oberfläche eines weicheren Materials streift, entstehen Kratzer auf der Oberfläche dieser Materialien.
Für spröde Materialien wie Keramik nutzen Maschinenbauer die Kratzprüfung. Manche Materialien erreichen möglicherweise keine plastische Verformung, können aber Kratzern nicht standhalten. Einige Designs sind kratzempfindlich; Daher benötigen Sie ein Material mit einer hohen Kratzhärte.
Beispielsweise können bestimmte Teile einer Maschine Reibung erfordern. In diesem Fall ist die Verwendung eines Materials mit geringer Kratzhärte möglicherweise nicht ausreichend. Dies liegt daran, dass das Material bei geringer Reibung seine glatte Oberfläche verlieren und schließlich die Gesamtfunktionalität der Maschine beeinträchtigen kann. Das bedeutet, dass Sie oft mehr für Reparaturen ausgeben müssen. Sie können dies verhindern, indem Sie einen Kratzhärtetest durchführen, um festzustellen, ob das Material der Reibung standhält und seine glatte Oberfläche nicht verliert.
Rückprallhärte
Ein Synonym dafür ist dynamische Härte, wobei es sich eher um elastische Härte als um plastische Härte handelt. Elastische Härte bedeutet, dass sich ein Material nicht dauerhaft verformt. Erst durch äußere Krafteinwirkung verliert es seine Form. Sobald die äußere Kraft entfernt wird, nimmt es automatisch wieder seine ursprüngliche Form an. Dies ist bei plastischer Verformung nicht der Fall, bei der das Material seine ursprüngliche Form nicht wiedererlangen kann. Daher ist die Rückprallhärte eher eine elastische Härte.
Bei der Rückprallhärte muss das Material die Energie beim Aufprall absorbieren und an den Eindringkörper zurückgeben. Mechaniker testen die Rückprallhärte mit einem Eindringkörper. Das als Eindringkörper verwendete Material hat bereits eine bekannte Härte, die von den Maschinisten mit der des gemessenen Materials verglichen wird.
Sie können den Rückprall oder die dynamische Härte eines Materials messen, indem Sie einen Hammer mit Diamantspitze darauf fallen lassen. Anschließend messen sie die Schlagkraft des Hammers, nachdem er auf die Oberfläche geschlagen hat. Wenn der Hammer näher an die ursprüngliche Fallhöhe zurückkehrt, weist das Material einen hohen Wert für die Rückprallhärte auf. Kommt der Hammer hingegen nicht näher an die Fallhöhe heran, weist das Material eine geringe Rückprallhärte auf.
Eindruckhärte
Maschinenbauer nutzen die Eindruckhärte, um die Verformungshärte eines Materials zu bestimmen. Dabei wird das untersuchte Material mit einer kontinuierlichen Belastung eingedrückt, bis sich ein Eindruck bildet. Maschinisten führen Eindruckhärteprüfungen sowohl auf mikroskopischer als auch auf makroskopischer Ebene durch, abhängig vom geprüften Material und dem Zweck, dem es dienen soll.
Wenn Ingenieure und Metallurgen über Materialhärte sprechen, meinen sie oft die Eindruckhärte. Durch die Messung des Eindruckwerts des Materials können Sie ermitteln, wie viel Belastung das Material aushalten kann, bevor es sich verformt.
In welcher Einheit wird die Materialhärte gemessen?
Manche Maschinenbauer verwechseln die SI-Einheiten der Härte oft mit denen des Drucks. Ersteres hat die SI-Einheit N/mm², auch Pascal genannt. Letzteres hingegen hat eine SI-Einheit von (N/m2 oder kg·m−1·s−2).
Für jede der zuvor besprochenen Härtearten gibt es unterschiedliche Maßstäbe. Die Einheiten werden von jeder Messmethode abgeleitet; daher sind sie nicht für einen direkten Vergleich geeignet. Dennoch gibt es eine Umrechnungstabelle, die Sie zum Vergleich nutzen können. Wir sagen „verwalten“, weil der Vergleich nicht 100 % genau sein kann, aber einen geeigneten Anhaltspunkt liefert.
Einige gängige Einheiten für die Härtemessung sind die Brinell-Härtezahl (HB), die Rockwell-Härtezahl (HRA, HRB, HRC usw.), der Leeb-Härtewert (HLD, HLS, HLE usw.) und die Vickers-Härtezahl (HV). In der folgenden Tabelle haben wir einen Vergleich der Messmethoden durchgeführt.
So testen Sie die Materialhärte
Die Härte jedes Materials wird unterschiedlich gemessen. Im Folgenden erfahren Sie, wie Sie jede Art von Härte testen können:
Der Brinnel-Test
Dies ist ein üblicher Härtetest, den Maschinisten anwenden. Zunächst machen sich die Maschinisten mit der Prüfmaschine vertraut. Vor der Durchführung des Tests nimmt er alle notwendigen Einstellungen am Monitor vor.
Das Prinzip besteht darin, mit einer Stahlkugel von 10 mm Durchmesser einen Abdruck auf dem Prüfling zu erzeugen. Der Abdruck wird dann berechnet, um die Brinnel-Härtezahl des Materials zu ermitteln.
Die Maschine senkt die Kugel auf das Material ab, um eine Vertiefung zu bilden, und lässt sie etwa 30 Sekunden lang stehen. Der Maschinist übt dann eine Kraft auf die Kugel aus. Die Art des zu prüfenden Metalls bestimmt die ausgeübte Kraft.
Für einige Metalle ist möglicherweise eine Belastung von 500 kg erforderlich, während für andere bis zu 3000 kg erforderlich sind, was der Standardbelastung entspricht. Wenn der Eindringkörper entfernt wird, misst der Ingenieur seine Größe durch Beobachtung mit einem Mikroskop mit geringer Vergrößerung. Er schneidet andere Bereiche aus und berechnet den Durchschnitt der Messungen im rechten Winkel.
Nach Abschluss der Prüfung berechnen die Maschinisten die Härtezahl anhand der Brinell-Härteberechnungsformel.
Woher,
F – Kraft, N
D – Eindringkörperdurchmesser, mm
d – Vertiefungsdurchmesser, mm
Rockwell-Härtetest
Dies ist eine weitere häufige Art der Härteprüfung. Die Art des geprüften Materials bestimmt die Art der verwendeten Waage.
Es stehen 30 verschiedene Maßstäbe zur Auswahl; Daher können Sie jedes für Ihr Material geeignete auswählen. Die am häufigsten verwendeten Skalen sind jedoch „B“ und „C“.
Der Tester wendet zunächst eine geringe Last an, bevor er die Testlast anwendet. Die geringe Belastung trägt dazu bei, den Eindringkörper richtig in der Testprobe zu fixieren und jegliche Form von Oberflächenunregelmäßigkeiten zu beseitigen, um ein genaueres Ergebnis zu erzielen.
Anschließend senkt er den Eindringkörper in das Material, um durch Aufbringen der Hauptlast einen Abdruck zu erzeugen. Er misst den Abdruck, um die Härte zu bestimmen. Anschließend ermittelt der Prüfer durch Berechnung des Härtewertes das vergrößerte Eindruckmaß.
Die Formel für die Rockwell-Härte lautet:
Woher,
N – Skalierungsfaktor abhängig von der verwendeten Skala
s – Skalierungsfaktor abhängig von der verwendeten Skala
d – die Tiefe der bleibenden Einkerbung im Vergleich zu geringer Belastung, mm
Vickers-Härtetest
Dies ist eine weitere Methode zur Messung der Härte. Es eignet sich eher für weiche Materialien, die geringere Belastungen erfordern. Wenn Sie also eine höhere Genauigkeit für Ihre weichen Materialien benötigen, ist der Vickers-Test am besten für Sie geeignet.
Vickers verwendet für alle Materialien einen einzigen Diamant-Eindringkörper, was die Berechnungen vereinfacht.
Der Tester muss sich zunächst mit der Maschine vertraut machen, bevor er beginnen kann. Das Teil wird dann auf der Maschine platziert, um mithilfe des Mikroskops eine geeignete Höhe zu finden. Sie können den richtigen Ort anhand der Bilder auf dem Bildschirm ermitteln. Wenn Sie ein fokussierteres Bild haben, ist es gut eingestellt.
Der Diamant-Eindringkörper wird auf das Teil abgesenkt und dort für eine bestimmte Zeit verweilt.
Heben Sie den Eindringkörper an und messen Sie den Eindringwert mithilfe der folgenden Formel:
Woher,
F – Kraft, N
d – Einrückungsdiagonale, mm
Härtetest nach Mohs
Wenn Sie die Ritzhärte messen möchten, ist dies eine geeignete Methode, die Sie anwenden können. Traditionell wird dieser Test durchgeführt, indem das Material gegen ein Referenzmaterial mit bekannter Härte gekratzt wird. Bei der Mohs-Härteprüfung werden zehn Referenzmaterialien mit unterschiedlicher Härte verwendet. Die Art des zu testenden Materials bestimmt die Art der zu verwendenden Referenz. Das Ergebnis erhält man dann, indem man dem Prüfmaterial einen numerischen Härtewert zuordnet.
Talk ist mit einem Wert von 1 das weichste verwendete Material. Das härteste Material ist hingegen Diamant mit einem Wert von 10.
Für die moderne Mohs-Härteprüfung wird ein Rockwell-Diamant-Eindringkörper verwendet. Das Funktionsprinzip der Maschine ähnelt dem der herkömmlichen Methode. Dabei wird das Prüfstück über einen festgelegten Zeitraum mit einer geeigneten Belastung zerkratzt.
Skleroskoptest
Mit dem Skleroskop können Sie die Rückprallhärte von Materialien bestimmen. Sie können diesen Test durchführen, indem Sie ein hohles vertikales Glasrohr an einen Ständer anschließen. Anschließend lassen Sie einen Diamanthammer durch das Rohr auf das Teststück fallen. Der Hammer wird abprallen und die Höhe des Abpralls wird gemessen und aufgezeichnet. Materialien mit höherer Härte haben eine höhere Sprungkraft, während weiche Materialien eine geringere Bindung aufweisen.
Materialhärtetabelle
Eine Materialhärtetabelle ist eine der einfachsten Möglichkeiten, die Härte einiger gängiger Materialtypen zu bestimmen. Die Tabelle zeigt den Härtewert dieser verschiedenen Materialien anhand verschiedener Messmethoden. Die obige Tabelle zeigt beispielsweise die Härtewerte von Metallen wie Aluminium und Titan unter Verwendung von Messmethoden wie der Brinell-Skala. Auf diese Weise müssen Sie die Härte Ihres Rohmaterials nicht bewerten, wenn Sie eines der aufgeführten Materialien verwenden.
Sie müssen jedoch sicherstellen, dass das verwendete Diagramm unter Standardbedingungen ausgewertet wird.
Zusammenfassung
Wenn Sie ein geeignetes Material für Ihr Projekt auswählen möchten, ist es wichtig, einen ordnungsgemäßen Materialhärtetest durchzuführen. Es gibt verschiedene Möglichkeiten, die Härte Ihres Materials zu testen. Lassen Sie sich von einem Fachunternehmen fachmännisch über die Härte Ihres Materials beraten.
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