Härteprüfung Vickers: Animation Funktionsprinzip

Vickers Härteprüfung

Die Vickers-Härteprüfung wurde im Jahr 1924 von Smith und Sandland bei der Firma Vickers Ltd. als eine alternative zur Brinell Härteprüfung entwickelt um die Härte an wesentlich Härteren Werkstoffen zu messen. Die Vickers-Prüfung ist häufig leichter anwendbar als andere Härteprüfungen, da die erforderlichen Berechnung des Härtewerts unabhängig von der Größe des Eindringkörpers erfolgt und unabhängig von der Härte des Werkstoffes anwendbar ist.

 

Wie bei allen gängigen Härteprüfverfahren beruht das Grundprinzip darauf welchen Widerstand der Werkstoff einem härteren Eindringkörper entgegenbringt bzw. welche  bleibende Verformung daraus resultiert. Die Vickers-Prüfung ist für alle Metalle anwendbar und besitzt von allen Härteprüfverfahren das größte Einsatzspektrum (von extrem weichem Blei bis extrem Harte Stähle oder sogar Keramik). Die Einheit der durch die Prüfung ermittelten Härte wird als Härte-Vickers bezeihnent. Hier dem Kurzzeichen HV wird die Prüfkraft in kgf genannt z. B. HV10.

 

Der Härtegrand ist nicht tatsächlich eine Eigenschaft des Werkstoffs und stellt einen empirischen Wert dar, der im Zusammenhang mit dem ausgewählten Härteprüfverfahren und dem verwendete Messbereich bzw. der Prüflast gesehen werden muss. Bei der Härteprüfung muss der Abstand zwischen den jeweiligen Vickers-Eindrücken mehr als das 2,5-fache der Eindruck-Diagonalen betragen, um eine Beeinflussung der Härteprüfung durch entstehende Materialverdichtungen / Kaltverfestigungen zu vermeiden.

 

Insbesondere bei der Härteprüfung dünner Schichten oder Folien, in Randbereichen eines Werkstücks und bei Oberflächen-Härtungen ist die Vickers - Härteprüfung das einzig zuverlässige Verfahren. Wegen der relativ kleinen Eindrücke und der extrem guten Positionierbarkeit der Eindrücke lässt sich dieses Verfahren hervorragend nutzen für die Ermittlung einer Einhärtungstiefe CHD (EHT - Einhärtungstiefe), SD (RHT Randschichthärtetiefe) und NHT (Nitrierhärtetiefe). Zudem wird hier (wegen der geringen Größe der Eindrücke) von einem nicht zerstörenden Prüfverfahren gesprochen. Sofern ein Vickers-Abdruck für eine dünne Schicht zu breit ist (Prüfung seitlich an einer präparierten Probe) kann alternativ ein Knoop-Eindringkörper verwendet werden. Im Prinzip ist der Knoop Eindringkörper bzw. der hiermit erzeugte Prüfeindruck ein in die Länge gezogener Vickers-Abdruck (Rombus). Die Berechnung der Härte erfolgt ähnlich wie bei Vickers.

 

Versuchsdurchführung Vickers Härteprüfung
Nach der Prüflastbeaufschlagung hinterlässt die Vickers - Pyramide in z. B. einem einsatzgehärteten Stahl einen quadratischen Eindruck. Bei der Konzeption des Verfahrens wurde beschlossen, dass die Form des Eindringkörpers so gestaltet sein soll, dass die so erzeugten Eindrücke vergleichbare geometrische Formen ergeben – unabhängig von der Größe der Prüflast. Der Eindruck sollte exakt definierte Punkte aufweisen die einfach vermessen werden können. Und der Eindringkörper sollte einen großen Widerstand gegen Eigenverformung bieten. Ein (synthetischer) Diamant in Form einer quadratischen Pyramide erfüllte diese Anforderungen bestens. Die Erfahrungen bei der Brinell-Prüfung hatten ergeben, dass die ideale Größe eines Brinell-Kugelabdrucks bei 3/8 des Kugeldurchmessers gegeben ist (Eindrucktiefe). Da sich die Enden zweiter Tangenten zu einem Kreis bei einer 3d/8 Sehne im Winkel von 136° treffen wurde beschlossen diesen Winkel als geometrische Form der Pyramide festzulegen. Weitere Experimente ergaben, dass die Ergebnisse einer Härteprüfung bei homogenem Material konstant sind unabhängig von der aufgebrachten Höhe der Prüflast.

 

Der Vickers-Härtewert wird ermittelt aus dem Verhältnis F / A. Dabei stellt F die am Diamanten beaufschlagte Prüflast (Kraft) in kg dar A ist der Flächeninhalt des entstandenen Eindrucks in Quadratmillimeter. Da zum Zeitpunkt der Entwicklung dieser Härteprüfmethode die Prüfkraft noch in kp angegeben wurde ist in die aktuell gültige metrologische Berechnung der Vickers Härte der Faktor 0,102 (Kehrwert von 9,81 = Faktor zur Umrechnung von Newton in kgf) eingeflossen.

Prüflasten (typische Prüflasten in FETT)

Methoden Vickers - Härteprüfung

Methoden Knoop
Härteprüfung

Prüflast
kp

Prüflast
mN milli Newton

Prüflast
kp

Prüflast
N Newton

Prüflast
kp

Prüflast mN milli Newton

0,005

49,03

1

9,806

 

 

0,010

98,1

2

19,61

0,010

98,1

0,015

147,1

3

29,41

 

 

0,020

196,1

4

39,22

 

 

0,025

245,2

5

49,03

 

 

0,030

294,2

10

98,06

 

 

0,050

490,3

20

196,1

0,050

490,3

0,100

980,6

30

294,2

0,100

980,6

0,200

1961

40

392,2

 

 

0,300

2942

50

490,3

 

 

0,400

3923

100

980,6

 

 

0,500

4903

120

1176

0,500

4903

 

 

 

 

1

9806

 

Gemäß DIN EN ISO 6507-1 bis 4 (Vickers Härteprüfung) ist es für die Darstellung der Ergebnisse erforderlich, dass das Härteprüfverfahren und die Prüfkraft immer mit angegeben werden.

Beispiel

: 440 HV30

Dabei bedeutet

: 440

= Härtewert

 

: HV

= Härte Vickers mit Diamantpyramide 136°

 

: 30 

= Prüflast (Kraft F) in kg bzw. kgf

 

 

 

Wird die Prüflastdauer gemäß Norm (10 - 15 Sekunden) eingehalten wird hinter dem Härtewert nichts angegeben. Erst wenn die Prüflastdauer nicht eingehalten wird muss die Zeit ebenfalls dokumentiert werden.

 Beispiel

: 440 HV30/20

Metallographische Präparation für Härteprüfungen nach Vickers | Brinell | Knoop

Neben der Gefügeanalyse dient die metallographische Präparation der Vorbereitung für eine Härteprüfung (typisch für Vickers) an der Probenoberfläche oder für Härteverläufe. Für eine exakte Bestimmung der Härtetiefe ist eine metallographische Präparation bis hin zur polierten Oberfläche erforderlich. Dies gilt insbesondere für eine automatisierte Härteprüfung mittels Vollautomat für folgende Auswertungen:

  • CHD (EHT) Einsatzhärtungstiefe-Härtetiefe
  • SHD (Rht) Randschichthärtungs-Härtetiefe
  • NHD (Nht) Nitrier-Härtetiefe
  • CD (At) Aufkohlungstiefe
  • CLT (VS) Verbindungsschichtdicke
  • Härteverläufe an Bauteilen

Härteprüfmaschinen nach Prüfkraft | Vickers

Härteprüfmaschinen gehören zu der Gruppe der Werkstoffprüfmaschinen bzw. Materialprüfmaschinen. Die unten genannten Normen verwenden durchweg den Begriff Härteprüfmaschine. Da für den Begriff der Härteprüfmaschine keine Definition existiert werden in der Industrie auch die Begriffe Härteprüfer, Härteprüfgerät, Härtemessgerät, Härtemesser oder andere Abwandlungen genutzt.
Die Gruppe der Härteprüfmaschinen wird gemäß DIN EN ISO 6507-1 für das Verfahren Vickers (nur hier) je nach Prüfkraft in folgende Gruppen eingeteilt:
 

 Beschreibung

gebräuchlicher Name

Prüfkraft in Newton

Prüfverfahren

 Vickers- Mikrohärteprüfung

Mikro-Härteprüfmaschine

≤ 0,009.807 bis < 1,961

< HV0,001 bis < HV0,2

 Härteprüfung Vickers im Kleinkraftbereich

Kleinkraft-Härteprüfmaschine

1,961 ≤ bis < 49,03

HV0,2 bis < HV5

 Härteprüfung nach Vickers

Vickers-Härteprüfmaschine

F ≥ 49,03

> HV5

Da durch den Eindringkörper in das Material ein Eindruck erzeugt wird handelt es sich bei diesen Prüfung um eine zerstörende Prüfung. Ausgenommen davon ist jedoch das Metall-Härteprüfverfahren nach der Vickers-Norm DIN EN ISO 6507-1. Der hierbei entstehende Härteprüfeindruck ist relativ klein (zumindest bei geringen Prüfkräften). Dieser kann meist mit einfachen Mittel (Schleifpapier) entfernt werden. Daher wird das Härteprüfverfahren nach Vickers als ein zerstörungsfreies Härteprüfverfahren eingestuft.

Bei einem Härteprüfer handelt es sich um eine mechanische Vorrichtung bei dem ein Eindringkörper mit einer definierten Kraft beaufschlagt wird. Da der Eindringkörper härter ist als der zu prüfende Werkstoff dringt die Spitze des Endringkörpers in das Material ein. Kann der Eindringkörper tiefer eindringen entsteht ein größerer bzw. tieferer Eindruck. Die Eindruckgröße wird gemäß den Normen DIN EN ISO 6507-1 (Vickers) oder DIN EN ISO 6506-1 (Brinell) optisch vermessen. Bei den in der DIN EN ISO 6508-1 definierten Messverfahren wird (different zu den beiden o. g. Verfahren) nicht die Eindruckgröße (optisch) vermessen sondern es wird die Tiefen-Differenz des Eindrucks zur Qualifizierung genutzt. Für die Verfahren nach Brinell und Vickers ist eine optische Messeinrichtung erforderlich. Für die Verfahren nach Rockwell ist ein Tiefen-Wegmess-System erforderlich.
Die erste kommerziell nutzbare Härteprüfmaschine wurde von dem Schweden Ernst August Brinell im Jahre 1900 entwickelt. Bei dieser Härteprüfmaschine wurde mittels Gewichtsbelastungssystem eine sehr harte Kugel in das zu prüfende Material eingedrückt. Die aufzubringende Prüfkraft wurde mittels Gewichten aufgebracht. Spätere Entwicklungen nutzten unter anderem auch Vorrichtungen bei denen die Prüfkraft mittels hydraulischer Pumpe oder Federkraft aufgebracht werden. Am weitesten verbreitet war bis Ende des 20. Jahrhunderts das Gewichtsbelastungssystem. Aktuell (in 2019) werden zwar noch Härteprüfmaschinen mit Gewichtsbelastungssystem (aus CHINA) oder Härteprüfmaschinen mit Feder-Belastungssystemen angeboten (Italien). Diese werden aber mehr und mehr durch genauer arbeitende, elektronische Kraftmesszellen mit zugehörigem motorischem Belastungssystem im geschlossenen Regelkreis eingesetzt. Ebenfalls ist der Stand der Technik, dass die optischen Messsysteme (Messlupe, Mattscheiben) durch Kameramesssysteme und Bildanalyse-Systeme ersetzt.
Moderne Rockwell-Härteprüfmaschinen verwenden zudem keine Zeigerinstrumente (Messuhren) sondern hochauflösende elektronische Geber.
Der Weltmarktführer INNOVATEST liefert für jede Anwendung und jedes Budget geeignete Ausstattungen:

  • Rockwell-Härteprüfmaschinen mit Gewichtsbelastungssystem (geringes Budget, ohne Strombedarf)
  • Rockwell-Härteprüfmaschinen mit Kraftmesszelle und Zeigerinstrument
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  • Rockwell-Härteprüfmaschinen mit Elektronik und WINDOWS–Härteprüfsoftware
  • Vickers / Brinell Härteprüfmaschinen mit Elektronik und WINDOWS–Härteprüfsoftware
  • bis hin zu Vollautomaten mit motorischem XY-Tisch für automatische Prüfsequenzen / in Fertigungsanlagen integriert