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Alles, was Sie über die Härte von Materialien wissen müssen

Informieren Sie sich über die wesentlichen Aspekte der Materialhärte in Fertigung und Technik, einschließlich der Typen, Prüfmethoden und Faktoren, die sie beeinflussen.
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Als Faustregel gilt, dass Sie die Funktionsumgebung berücksichtigen, in der ein bestimmtes Teil verwendet oder installiert wird. Die Auswahl der Materialien, die bei der Herstellung eines Produkts verwendet werden, kann sicherlich schwierig sein, aber die Endverwendung ist bei solchen Unklarheiten Ihr bester Anhaltspunkt.

Einer der wichtigsten Aspekte, der bei entscheidenden Produktionsentscheidungen im Mittelpunkt steht, ist die Materialhärte. 

Die Härte von Materialien mag auf den ersten Blick wie ein selbstverständliches Konzept erscheinen, doch der Grund für diesen Aspekt ist tiefgreifend. In diesem Artikel werden wir die Bedeutung und Arten der Härte von Materialien aufdecken und analysieren. Machen Sie sich also bereit, aufgeklärt zu werden!

Was ist Materialhärte?

Wie Sie wissen, ist es wichtig, dass das Material Verformungen, Dellen, Kratzer usw. standhält. Einfach ausgedrückt ist die Materialhärte das Maß für die Widerstandsfähigkeit eines Materials gegenüber äußeren Kräften. Im Grunde ist es so, als würde man über die Zähigkeit von Metallen, Mineralien, Kunststoffen usw. sprechen.

Härte der Materialien

Fahren Sie beispielsweise mit Ihren Fingern über die Oberfläche eines Diamanten und dann über ein Stück Kreide. Sie werden feststellen, dass der Diamant glatt ist, während die Kreide bröckelig und uneben ist. Der Unterschied in ihrer Reaktion auf äußere Kräfte verrät Ihnen alles über die Härte ihres Materials.

Stahlhärte im Formenbau

Die Härte des Stahls ist ein wesentlicher Faktor für Formenbau. Der Grund dafür ist, dass es die Leistung, Haltbarkeit und Lebensdauer der Form beeinflusst. Sie müssen verstehen, dass die Härte ein wesentlicher Faktor ist, den Sie bei der Auswahl des perfekten Stahls für die Form berücksichtigen müssen. 

Beim Formenbau können Sie die Härte anhand von Skalen wie Rockwell (HRC), Brinell (HB) oder Vickers (HV) messen. Bei Stahl bedeutet eine höhere Härte eine bessere Verschleißfestigkeit und eine längere Lebensdauer des Werkzeugs.

Hier sind einige der häufigsten Formstahl und Härtebereiche. Erstens gibt es vorgehärtete Stähle (HRC 30-40), die für geringe bis mittlere Produktionsmengen geeignet sind. Als nächstes gibt es gehärtete Stähle (HRC 40-50), die für allgemeine Formanwendungen verwendet werden. Danach gibt es hochgehärteten Stahl (HRC 50-60+), der für die Produktion großer Stückzahlen verwendet wird. 

Sie können eine der oben genannten Kategorien auswählen. Denken Sie jedoch daran, dass Sie, wenn Sie mit Spritzguss und Formpressen fortfahren möchten, hochgehärteten Stahl bzw. gehärteten Stahl wählen müssen. Mittelgehärteter Stahl eignet sich gut für Blasformen. 

Letztendlich können Oberflächenbehandlungen immer die Härte und Verschleißfestigkeit der Form verbessern.

Arten der Materialhärte

Daher ist es nicht falsch zu sagen, dass die Härte eines Materials von Faktoren wie Flexibilität, Festigkeit, Dehnung, Plastizität, Viskosität usw. abhängt. Und weil sich jedes Material anders verhält, gibt es folgende verschiedene Härtearten:

Kratzhärte

Kratzer sind scharfe Linien, die entstehen, wenn ein hartes Material ein weicheres Material streift. Dadurch können Kratzer entstehen. Nehmen wir an, Sie packen Ihr brandneues Telefon gerade aus und machen sich Sorgen wegen der unvermeidlichen Kratzer. Wenn das Material eine gute Kratzfestigkeit aufweist, ist Ihr Telefon sicher. Das Gegenteil kann jedoch schädlich sein.

Arten der Materialhärte

Es gibt viele Möglichkeiten, die Kratzfestigkeit eines Materials zu prüfen, beispielsweise die Mohs-Härteskala. Sie können diese für Mineralien oder Keramik verwenden. Ein Material mit hoher Kratzhärte kann also jedem Kratzer unter der Sonne standhalten.

Der Vorteil der Kratzhärte besteht darin, dass Sie kein Geld mehr für Reparaturen ausgeben müssen. Sie können für den Rest Ihres Lebens ein neu aussehendes Produkt kaufen. Wenn Sie immer noch Zweifel haben, können Sie immer noch einen Kratzhärtetest durchführen und die glatte Oberfläche nicht verlieren.

Rückprallhärte

Als nächstes kommt die Rückprallhärte. Stellen Sie sich vor, Sie dribbeln mit einem Basketball und dieser springt zurück. Dies ist aufgrund der Rückprallhärte des Materials möglich. Die Rückprallhärte ist also ein bisschen wie die Rückprallqualität, nur eben für Materialien. 

Ein Material kann grundsätzlich Energie absorbieren, wenn es getroffen wird, und dann in seine ursprüngliche Form zurückkehren. Gummi beispielsweise wird komprimiert, wenn man es zusammendrückt, und nimmt seine ursprüngliche Form wieder an, wenn man es loslässt. 

Mit den Charpy- und Izod-Tests können Sie die Rückprallhärte eines Materials. Auf diese Weise können Sie prüfen, wie gut das Material den Schlag aushält und stark zurückkommt. Einfach ausgedrückt: Lassen Sie einfach einen Hammer aus einer gewissen Höhe fallen und sehen Sie, ob er auf die gleiche Höhe zurückkommt. Wenn dies nicht der Fall ist, hat er wahrscheinlich eine geringe Rückprallhärte. 

Eindruckhärte

Das perfekte Beispiel ist der Versuch, mit dem Daumen in ein Stück Teig zu drücken. Der Abdruck, den er auf dem Teig hinterlässt, gibt Ihnen eine Vorstellung davon, wie weich oder fest der Teig ist. Ebenso misst die Eindruckhärte, wie widerstandsfähig Ihr Material gegenüber äußeren Kräften ist.

Dafür gibt es einige Tests, wie zum Beispiel den Brinell- und den Vickers-Test. Dabei muss man den Gegenstand nur fest genug in das Material drücken und den Eindruck messen. Als Ergebnis hat man ein Material in der Hand, das unter Druck nicht nachgibt, insbesondere bei plötzlichen Stößen. 

Faktoren, die die Materialhärte beeinflussen

Es ist immer wichtig, einige Faktoren im Hinterkopf zu behalten, die die Materialhärte eines Materials beeinflussen können. Und zwar:

Kristallstruktur

Stellen Sie sich Materialien so vor, als bestünden sie aus winzigen Bausteinen. Bei manchen Materialien sind diese Bausteine ordentlich und geordnet angeordnet, wie ein wohlgeordneter Ziegelsteinstapel (kristalline Struktur). 

Andere sind etwas willkürlicher, wie ein Haufen verstreuter Legosteine (amorphe Struktur). Wenn es um die Härte geht, ist die Art und Weise, wie diese Blöcke angeordnet sind, von Bedeutung. Materialien mit einem kristallklaren Plan weisen im Vergleich zu Materialien mit einer eher zufälligen Struktur tendenziell andere Härteeigenschaften auf.

Körnung

Stellen Sie sich Materialien so vor, als bestünden sie aus vielen kleinen Körnern, wie eine Schaufel Sand. Wenn diese Körner groß sind, gibt es weniger Hindernisse auf dem Weg. Wenn sie jedoch klein sind, gibt es viele kleine Hürden. 

Kleinere Korngrößen bedeuten im Allgemeinen mehr Hindernisse, die im Weg sein können. Das bedeutet einfach, dass es winzige Defekte oder Unregelmäßigkeiten geben kann, die die Biegung des Materials beeinflussen können. Mehr Hindernisse führen also oft zu einer höheren Härte.

Temperatur

Lassen Sie uns nun über die Temperatur sprechen. Stellen Sie sich Ihr Material als eine Gruppe von Menschen auf einer Party vor. Bei höheren Temperaturen ist es so, als würden sich die Gäste frei untereinander mischen und sich ungezwungen bewegen, was die Bewegung der Atome erhöht. 

Aber wenn es abkühlt, beginnen die Gäste an Ort und Stelle einzufrieren. Materialien können durch die verringerte Atombeweglichkeit bei niedrigen Temperaturen härter werden. Man könnte sagen, sie sind widerstandsfähiger gegen Veränderungen geworden, weil sich die Atome nicht mehr so stark bewegen können.

Wie testet man die Materialhärte?

Auch wenn Sie mit den Theorien zur Materialhärte vertraut sind, ist es wichtig zu verstehen, wie die Tests durchgeführt werden. Lassen Sie uns jetzt über diese Tests sprechen:

Rockwell-Härteprüfung

Rockwell-Härteprüfung

Das Prinzip dieses Tests besteht darin, die Festigkeit des Materials zu prüfen, indem gemessen wird, wie viel Widerstand es bei starkem Druck leisten kann. Hierzu können Sie ein Werkzeug namens Eindringkörper verwenden. Mit diesem Werkzeug können Sie prüfen, wie weit es eine schwere Last in das Material drücken kann.

Verwenden Sie zunächst nur eine leichte Last, um sicherzustellen, dass der Eindringkörper an der richtigen Stelle sitzt. Dann kommt der Hauptvorgang, bei dem Sie die schwere Last verwenden können. Bitte beobachten Sie, wie tief der Eindringkörper in das Material eindringt. 

Es gibt jedoch verschiedene Skalen zur Analyse der Ergebnisse. Für harte Materialien können Sie die HRC-Skala und für weiche Materialien die HRB-Skala verwenden. Dieser Test eignet sich hervorragend für Metalle und Legierungen. So können Sie beispielsweise sicherstellen, dass das Metall in Ihrem Automotor oder die Legierung in Ihrem Fahrrad einer Herausforderung gewachsen ist. 

Brinellhärteprüfung

Der Brinellhärtetest ist so, als würde man ein Material vorsichtig zusammendrücken und beobachten, wie es reagiert. Es geht darum, die „Beulbarkeit“ eines Materials zu prüfen, indem man die Größe der Delle misst. Sie können für diese Aufgabe ein spezielles Werkzeug namens Kugeleindringkörper verwenden. 

Das Verfahren ist einfach: Beginnen Sie damit, eine kleine, runde Kugel in ein Stück Material zu drücken. Bei diesem Test können Sie einen bekannten Druck auf diesen kugelförmigen Eindringling ausüben. Werfen Sie nach dem Drücken einen Blick auf die Delle, die zurückbleibt. Es ist, als ob Sie die Folgen eines Daumendrucks in Knete betrachten würden. Die Größe dieser Delle ist entscheidend, und es wird immer eine Formel verwendet, um diese Dellengröße in eine Zahl umzuwandeln. 

Dieser Test ist so etwas wie der Superheld unter den Härteprüfungen für Metalle. Er wird häufig verwendet, um zu prüfen, wie zäh und widerstandsfähig Metalle sind, wenn sie etwas zusammengedrückt werden. Sie können sicherstellen, dass die Legierung in Ihrem Lieblingskochtopf den alltäglichen Belastungen standhält, denen sie ausgesetzt sein können.

Vickers-Härteprüfung

Mit diesem Test können Sie überprüfen, wie gut ein Material einer winzigen Diamantspitze standhält. Stellen Sie sich einen winzigen Diamanten in Form einer Pyramide vor. Stellen Sie sich nun vor, Sie drücken diesen Diamanten in ein Material, um zu sehen, wie er reagiert.

Stellen Sie sich einen winzigen Diamanten in Form einer Pyramide vor. Stellen Sie sich nun vor, Sie würden diesen Diamanten in ein Material drücken, um zu sehen, wie er reagiert. Einfacher ausgedrückt geht es darum, die Größe der Delle zu messen, die dieser kleine Diamant hinterlässt, wenn er unter Belastung auf ein Material trifft.

Zuerst müssen Sie eine Last auf diesen winzigen Diamanten ausüben, so als würden Sie ihn sanft in das Material drücken. Stellen Sie sich vor, der Diamant würde dem Material einen kleinen Schubs geben. Wenn Sie damit fertig sind, sehen Sie sich die entstandene Delle an. Und jetzt kommt der coole Teil: Messen Sie die Diagonalen der Delle, so als würden Sie prüfen, wie breit und lang sie ist.

Knoop-Härteprüfung

Knoop-Härteprüfung

Dies ist ein enger Verwandter des Vickers-Tests, der Knoop-Härtetest. Er ist wie ein Geschwister, hat aber ein anders geformtes Werkzeug. Stellen Sie sich einen Diamanten vor, aber diesmal hat er die Form einer kleinen Raute und nicht einer Pyramide. Das ist der Knoop-Eindringkörper. Drücken Sie nun diesen einzigartigen Diamanten vorsichtig in ein Material, um zu sehen, wie er reagiert.

Beim Knoop-Test geht es darum, die Delle zu messen, die dieser rhomboedrische Diamant hinterlässt, wenn Sie eine Last auf ihn aufbringen. Bei diesem Test sollten Sie die langen und kurzen Diagonalen der Delle messen. Darüber hinaus können Sie die Delle aus zwei verschiedenen Winkeln betrachten.

Shore-Härte-Test

Wenn Sie wissen möchten, wie weich oder robust Ihre Gummihülle für Ihr Handy ist, ist der Shore-Härtetest genau das Richtige für Sie. Dieser Test ist wie ein sanfter Stoß, um zu sehen, wie viel ein Material, insbesondere diese weichen Elastomere und Polymere (denken Sie an Gummi und Kunststoffe), aushalten kann, bevor es Anzeichen von Einkerbungen zeigt.

Es ist ähnlich, als ob Sie prüfen würden, wie stark Ihre Memory Foam-Matratze nachgibt, wenn Sie darauf drücken. Anstelle von Rauten oder Pyramiden müssen Sie hier ein spezielles Werkzeug namens Durometer verwenden. Dabei handelt es sich um eine praktische Sonde, die sanft in das Material drückt. 

Der Härtegrad misst, wie stark das Material eindringt. So können Sie sehen, wie tief Ihr Finger in ein Stück Ton drückt. Je nachdem, was Sie testen, ob weiches Gummi oder zäher Kunststoff, werden unterschiedliche Lineale oder Skalen verwendet. Für weichere Materialien gibt es die Shore-A-Skala und für härtere die Shore-D-Skala. 

Mikrohärteprüfung

Stellen Sie sich diese Tests vor, aber das Heranzoomen in die kleinsten Details ist das, was Mikrohärteprüfung geht es darum. Im Gegensatz zu anderen Tests können Sie feinkörnige, kleine Teile verwenden, anstatt mit großen Brocken zu arbeiten. Es ist, als würden Sie mit einer Lupe die mikroskopische Welt der Materialien untersuchen.

Verwenden Sie für diesen Test statt eines normalgroßen Eindringkörpers einen kleinen. Es ist einfach so, als würden Sie einen Mini-Diamanten oder ein rhomboedrisches Werkzeug in das Material drücken. Nach dem Drücken müssen Sie die Größe des Eindringkörpers messen, allerdings in einem viel kleineren Maßstab. Sie müssen sich nur die kleinen Fußabdrücke genau ansehen, die der winzige Eindringkörper hinterlassen hat.

Und jetzt kommt der interessante Teil: Verwenden Sie die Messungen, um die Vickers- oder Knoop-Härtezahl zu berechnen. Sie gibt Ihnen eine Vorstellung davon, wie gut das Material Druck standhält, wenn Sie es mit seinen winzigen Details zu tun haben.

Ritzhärteprüfung

Nehmen Sie einen Schlüssel oder eine Münze und kratzen Sie damit an einer Oberfläche. Sie werden entweder einige Kratzer finden oder feststellen, dass die Oberfläche nicht beschädigt wird. Letztlich geht es bei diesem Test darum, herauszufinden, wie gut ein Material Kratzern widersteht, wenn es mit etwas Härterem in Berührung kommt. 

Es ist, als würden Sie Ihr Handydisplay mit Ihrem Autoschlüssel vergleichen, um zu sehen, ob es Spuren hinterlässt. Besorgen Sie sich beispielsweise ein robusteres Material, etwa einen Inbegriff mit einem kratzfesten Schild. Mit diesem robusteren Material können Sie die zu testende Probe zerkratzen.

Schauen Sie sich die Objekte beim Kratzen genau an. Alle Kratzer oder Markierungen, die auf der Probe erscheinen, zeigen Ihnen, wie gut sie der Herausforderung standgehalten hat.

Was ist die Maßeinheit für die Materialhärte?

Es ist recht leicht, die Maßeinheiten für Härte und Druck zu verwechseln. Die SI-Einheit für Materialhärte ist Megapascal (MPa). Es gibt jedoch einen Unterschied: Einige Tests sind qualitativ und haben keine spezifischen SI-Einheiten. Nun hat jeder Härtetyp, über den Sie zuvor gelesen haben, unterschiedliche Messskalen. Hier ist eine Zusammenfassung:

HärtetestMessen einer SI-Einheit
Mohs-HärteskalaDieser Test ist qualitativ
BrinellhärteMegapascal (MPa)
Vickers-HärteMegapascal (MPa)
RockwellhärteKeine (dimensionslos)
MikrohärteprüfungMegapascal (MPa)
Shore-HärteKeine (dimensionslos)

Trennwörter!

Unterm Strich ist es wichtig, die Härte eines Materials zu kennen, um das richtige Material auszuwählen. Produktdesign, usw. Auf diese Weise haben Sie die Kontrolle darüber, was Sie machen. Jüngste Fortschritte verbessern die Fähigkeit, mit diesen Tests präziser zu sein, und wenn Sie einen unter richtiger Anleitung durchführen möchten, kontaktiere uns!

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