Härtebestimmung [1]

Härtebestimmung. Unter Härte versteht man den Widerstand, den ein Körper dem Eindringen eines andern Körpers in seine Oberfläche entgegensetzt. Dementsprechend bezeichnet die Mineralogie denjenigen von zwei Körpern als den härteren, welcher den andern zu ritzen vermag.

Als allgemeiner Härtemaßstab dient ihr die sogenannte Mohssche Skala, umfassend nach steigender Härte geordnet: Talk (1), Steinsalz (2), Kalkspat (3), Flußspat (4), Apatit (5), Orthoklas (6), Quarz (7), Topas (8), Kor- und (9) und Diamant (10). Man ermittelt, welches von diesen Mineralien den zu prüfenden Körper eben noch ritzt und welches er selbst eben noch zu ritzen vermag. Seine Härte liegt dann zwischen diesen beiden oder ist gleich derjenigen des Minerals, das ihn eben nicht mehr zu ritzen vermag. Sie wird ausgedrückt durch die Zahl, welche das betreffende Mineral in der aufgeführten Nummernfolge hat. Diese Art der Härtebestimmung ist demnach eine relative; sie beruht nur auf einem Vergleich. Ihr unmittelbar nachgebildet sind die Verfahren von Gollner [1] und von Friedr. Müller [2]. Bei dem ersteren wird mit zylindrischen, an den Enden kegelförmig zugespitzten und mit Schneiden versehenen Stäben aus verschiedenen Stoffen geritzt, während Müller dünne Quadratstäbe aus reinem Zementstahl mit um je 0,1% steigendem Kohlenstoffgehalt verwendet, die durch vorsichtiges Ausglühen im Holzkohlenfeuer und langsames Erkalten auf den Zustand ihrer Naturhärte gebracht und durch eine schräge Fläche wie ein Drehstahl zugespitzt sind. Man erhält durch Ritzen mit diesen Stäben die Härte des Probematerials, bezogen auf die Naturhärte von Kohlenstoffstahl.

Um die Härtemessung auf eine bestimmte Einheit zurückzuführen, sind folgende Verfahren in Vorschlag gebracht:

1. Eindruck- und Einkerbproben bei stetig wachsender oder durch Schlag ausgeübter Belastung. Hierbei dienen als Werkzeuge in der Regel Stempel aus hartem Material und als Härtemaß entweder die Eindringtiefe oder Kerblänge für eine bestimmte Belastung oder Schlagarbeit oder umgekehrt die Belastung bezw. Schlagarbeit, die bei gegebenem Stempel zur Erzielung eines Eindrucks bestimmter Tiefe oder Kerblänge erforderlich ist.

Die Einzelheiten der von verschiedenen Forschern angewendeten Verfahren sind aus der nachstehenden Tabelle S. 740 ersichtlich.

Föppl mißt den Durchmesser der Eindruckflächen bei praktischen Versuchen mit dem Zirkel. Damit die Flächen sich deutlich abgrenzen, wird der eine Zylinder berußt. Er wird hierzu mit Terpentin bestrichen und dann langsam durch eine Terpentinflamme geführt. Beim Versuch löst sich die Rußschicht innerhalb der Druckfläche ab und geht auf den ursprünglich unberußten Zylinder über. Die Druckfläche erscheint daher auf dem berußten Zylinder als helles Feld in dunkelm Grunde und bei dem zweiten Zylinder umgekehrt als dunkles Feld in heller Umgebung. Nach Versuchen von Schwerd [34] geben Zylindersegmente gleich große Eindruckflächen, also gleiche Härtezahlen wie Vollzylinder. Aus Stücken von weniger als 40 mm Durchmesser oder Dicke werden die Proben daher derart hergerichtet, daß zwei Platten des Probematerials auf zwei gegenüberliegende Flächen eines beliebigen Vierkanteisens aufgelötet und mit demselben auf 40 mm Durchmesser abgedreht werden. Das sich ergebende Härtemaß H nimmt mit dem Zylinderdurchmesser ab, und zwar ist es umgekehrt proportional der dritten Wurzel aus dem Krümmungshalbmesser r, also

Bei der Kugeldruckprobe von Brinell ([31]–[33]) sind Dicke d und Kantenlänge a des Probestückes von Einfluß auf die Härtezahl, wenn d < 2,5 mm und a < 35 mm ist. Als normale Abmessungen gelten d = 10 mm und a = 35 mm. Als Grenze für die Eindrucktiefe gilt, daß der Zentriwinkel über dem Eindruck nicht größer als 90° sein darf; innerhalb dieser Grenze ergeben alle Eindrucktiefen bei demselben Material stets gleiche Härtezahlen. Als praktisch haben sich erwiesen Belastungen von 3000 kg für Eisen und Stahl und von 500 kg für weichere Metalle und Legierungen. Die Härtebestimmung nach dem Verfahren von Brinell ist zurzeit am meisten im Gebrauch. Hierbei scheint die Härtezahl H im bestimmten Verhältnis zu den Spannungen an der Streckgrenze (σ_S) und beim Bruch (σ_B) sowie zu der Dehnung (δ) zu stehen, so daß die letzteren aus der Härtezahl berechnet werden können. So fand Brinell für verschiedene Kohlenstoffstähle mit 0,09–1,05% C übereinstimmend die Zugfestigkeit σ_B = 0,35 H [35].

Dillner fand für ausgeglühte Metalle folgende Verhältniswerte:

a) bei Härtezahlen unter 175:

σ_B = 0,362 H für Proben senkrecht zur Walzrichtung,

σ_B = 0,354 H für Proben parallel zur Walzrichtung.

b) bei Härtezahlen über 175:

σ_B = 0,344 H für Proben senkrecht zur Walzrichtung,

σ_B = 0,324 H für Proben parallel zur Walzrichtung.

Die Lastdauer ist von Einfluß auf das Ergebnis. Zur Ausführung der Kugeldruckprobe ist jede Druckpresse mit hinreichend genauer Kraftanzeige geeignet. Sonderapparate haben angegeben [740] Martens [36], Aktiebolaget Alpha, Stockholm, und Huber. Die beiden erstgenannten Apparate haben hydraulischen Antrieb, ihre Gestelle C-Form. Martens hat den hydraulischen Zylinder unten angeordnet. Die Probe liegt auf dem Kolben und wird gegen die vom oberen Schenkel des Gestells getragene Kugel gepreßt. Die Belastung wird aus dem am Manometer abzulesenden Flüssigkeitsdruck und der Kolbenfläche berechnet, wobei der Reibungswiderstand der Kolbendichtung zu berücksichtigen ist. Der Apparat ist mit einer Zeigervorrichtung ausgestattet, welche die Tiefe des Kugeleindruckes unmittelbar anzeigt; gemessen wird hierbei von der Oberfläche der Probe aus auf einem zur Kugel konzentrischen Kreise.

Bei dem Apparat der Aktiebolaget Alpha [37] liegt der hydraulische Zylinder im oberen Schenkel des C-förmigen Gestells. Der abwärts wirkende Kolben arbeitet reibungsfrei ohne Dichtung. Er trägt auf einer Erhöhung die Kugel und preßt sie gegen die Probe. Diese ruht auf der Endfläche einer im unteren Schenkel des Gestells angeordneten Schraube, mit der sie vor dem Versuch auf passende Höhe einzustellen ist. Neben dem Zylinder befindet sich im oberen Schenkel eine kleine Handpumpe zur Erzeugung des Druckes, der unmittelbar in Kilogrammen

am Manometer abzulesen ist.[741] Eine Kontrollvorrichtung dient dazu, Ueberschreitung der gewünschten höchsten Belastung zu verhüten. Sie besteht aus einem mit dem Preßzylinder unmittelbar in Verbindung stehenden kleinen Zylinder, in dem sich ein Kolben ebenfalls reibungsfrei bewegt. Der Kolben wird mit Gewichten belastet, die entsprechend dem Verhältnis der beiden Kolbenflächen kleiner sind als der beabsichtigte Probedruck. Ist letzterer erreicht, so hebt der Kolben die Gewichte, ohne daß weitere Drucksteigerung möglich ist. Soll ohne Kontrollapparat gearbeitet werden, so wird der kleine Zylinder mittels eines Schraubendeckels dicht verschlossen.

Huber gibt dem Gestell seines Härteprüfers entweder ebenfalls die Form eines C oder die einer Kopierpresse. Die Probe liegt unten und die Kugel wird von oben her mittels Schraube darauf gedrückt. Zwischen Schraube und Kugel ist ein hydraulischer Kraftmesser eingeschaltet (Fig. 1). Er besteht aus zwei übereinander angeordneten Zylindern A und B. Der Kolben D des oberen, kleineren Zylinders wird durch die Schraube abwärts gedrückt. Der hierdurch unter ihm erzeugte Flüssigkeitsdruck, der am Manometer abzulesen ist, treibt den größeren unteren Kolben C mit der Kugel gegen die Probefläche.

2. Ritzverfahren unter Benutzung eines und desselben Werkzeuges für alle Härtegrade. Das Werkzeug wird unter meßbarem Druck über die ebene Fläche der Probe fortgeführt und dann als Härtemaß bestimmt: a) nach dem Verfahren von Pfaff [4] der Gewichtsverlust der Probe für eine bestimmte Anzahl von Ritzungen unter vorgeschriebener Belastung; b) nach den Verfahren von Seebeck, Franz [14] und von Turner [4] diejenige Belastung, welche ausreicht, um auf der Probefläche einen mit bloßem Auge noch eben sichtbaren Riß zu hinterlassen, und c) nach Martens ([11] und [15]–[18]) diejenige Belastung, die erforderlich ist, um einen Riß von 0,01 mm Breite zu erzeugen, der mikroskopisch ausgemessen wird. Als Werkzeug dient ein Diamant; seine ritzende Wirkung hängt nicht nur von seiner eignen Härte, sondern auch von seiner Form, Art der Aufteilung und Geschwindigkeit der Bewegung ab; daher sind für alle diese Umstände stets gleiche Bedingungen innezuhalten.

Turner konstruierte hierzu einen besondern Apparat, der später von Martens verbessert wurde. Bei ihm wird der Diamant in senkrechter Stellung zur Probefläche von einem Wagebalken getragen, der zur Belastung mit einem Reiter- oder Laufgewichte ausgerüstet ist. Turner läßt den Balken zum Ritzen um eine senkrechte Achse sich drehen; Martens verschiebt die Probe in der Längsrichtung des Balkens unter dem Diamanten.

3. Scherversuche. Kick behauptet, die Härte ist der Scherfestigkeit proportional, und schlägt vor, letztere als Maß der Härte zu bestimmen, [19]–[22], [11], [16]. Er begründet diesen Vorschlag damit, daß erstens beim Eindringen eines Stempels mit kreisförmiger Endfläche in einen Körper unter dem Stempel ein Kegel sich bildet, auf dessen Mantelfläche Schubspannungen herrschen, deren Größe einen wesentlichen Teil des Widerstandes ausmacht, der sich dem Eindringen des Stempels entgegensetzt, und zweitens, weil der Widerstand beim Drehen und Hobeln sich so lange steigert, bis die Schubfestigkeit zwischen dem unmittelbar vor der Druckfläche des Werkzeuges angestauchten Span und dem vollen Material überwunden wird. Das Versuchsstück muß zur Vermeidung von Biegungsspannungen durch die Schervorrichtung allseitig umschlossen werden. Es soll nach keiner Richtung hin ausweichen können und hierdurch ein reiner Abscherungsvorgang erreicht sein, bei dem der Druck wächst, bis die Elastizitätsgrenze auf der ganzen Scherfläche gleichzeitig überschritten wird.

4. Scher- und Druckversuche. Haußner ([23], [24]) kommt bei seinen Versuchen über den Kräfteverbrauch beim Hobeln zu dem Schluß, »daß für gleich harte Körper der Widerstand gegen Druck an der Fließgrenze und die Scherfestigkeit gleich sind«, und will daher die Härte aus den für die beiden genannten Eigenschaften ermittelbaren Werten bestimmen.

5. Kirsch unterscheidet zwischen »durchgehender« oder »Naturhärte« und »Oberflächenhärte«. Die erstere definiert er als die Größe des Widerstandes, mit dem ein Material an seiner ursprünglichen Form festhält, in ihr verharrt, und steht demnach die Spannungen an der Elastizitätsgrenze als Maß der Naturhärte an. Da diese Spannungen bei den verschiedenen Inanspruchnahmen verschieden sind, so unterscheidet er zwischen Zughärte, Druckhärte, Biegungshärte, Scherhärte u.s.w. Die Oberflächenhärte bestimmt er, wie schon in der obigen Tabelle gesagt ist, durch Druckversuche mittels eines Stempels, [7], [25], [26], [23].

6. v. Waltenhofen bestimmt als Härtemaß für Stahl dessen Magnetisierbarkeit, indem er annimmt, daß die Koerzitivkraft mit der Härte abnimmt, [27], [28].

7. Casperson schmilzt Stäbe von bestimmtem Durchmesser mittels des elektrischen Stromes und benutzt als Härtemaß die hierzu erforderliche Strommenge im Vergleich mit Schmelzversuchen an Stäben bekannter Härte, [29], [30].

Der Wert der vorgenannten Methoden zur ziffermäßigen Bestimmung der Härte ist viel umstritten. Den Verfahren, bei denen bleibende Formänderungen, sei es durch Eindrücken[742] eines flachen Stempels, einer Spitze oder einer Schneide erzeugt werden, haftet der Mangel an, daß ihr Ergebnis nicht nur von der Harte des. Materials, sondern auch von seinem Fließvermögen, seiner Bildsamkeit abhängig ist. Dies bedingt, daß für sie jedenfalls die Dauer der Einwirkung festgesetzt sein muß. Ferner kommt bei ihnen die Form des Werkzeuges, dessen Härte, Abnutzung sowie mit Rücksicht auf die Wiedererlangung des ursprünglichen Zustandes bei wiederholtem Schleifen die Gleichförmigkeit des Materials in Frage. Es wird nicht möglich sein, diese Versuchsbedingungen an allen Orten durchaus oder nur hinreichend gleich zu gestalten. Demnach können also mit den hier in Frage kommenden Methoden auch immer nur Relativwerte für die durch Härte und Fließvermögen bedingte Widerstandsfähigkeit gewonnen werden. Auszunehmen ist unter ihnen vielleicht das Verfahren von Föppl [13], weil bei ihm Druckstück und Probe beide aus dem zu prüfenden Material gefertigt werden und die Willkür, die in der Wahl des Durchmessers beider Stücke liegt, nicht in Betracht kommt, da sie kein Hindernis für die Schaffung gleicher Versuchsbedingungen an allen Orten bildet. Auch mit der Kugeldruckprobe von Brinell lassen sich leicht vergleichbare Werte erzielen. – Die Druck- und Einkerbproben, bei denen die Inanspruchnahme nur gerade bis zum Beginn der bleibenden Formänderung gesteigert wird, sind von dem Fließvermögen des Materials unabhängig; dagegen bleiben alle obenerwähnten, in dem Zustande des Werkzeuges gegebenen Einflüsse auch für sie bestehen. Sie können daher ebenfalls nur als relative Härtebestimmungen angesprochen werden. Den Verfahren dieser Art, welche ohne seine Meßwerkzeuge arbeiten, haftet der Mangel an, daß die Feststellung des Beginns bleibender Formänderungen dem subjektiven Urteil des Beobachters anheimgegeben ist. Schließlich dürften sie auch alle bei Prüfung von sehr spröden Materialien vollkommen versagen, weil solches Material entweder brechen oder an der Druckstelle ausspringen wird, bevor bleibende Formänderungen wahrgenommen wurden. – Die Ritzversuche haben ebenfalls nur den Wert relativer Härtebestimmungen, denn auch ihre Ergebnisse sind von dem Zustande und der Form des ritzenden. Körpers sowie von der Arbeitsgeschwindigkeit abhängig. Außerdem fällt für sie ins Gewicht, daß der fortgeritzte Span bei bildsamen Körpern sich auftaucht, während er bei spröden Körpern ausspringt. – Das Verfahren von Kirsch zur Bestimmung der »Naturhärte« durch Elastizitätsmessungen beruht auf einer Definition der Härte, die von der allgemein üblichen vollkommen abweicht, und zur Anerkennung der Methoden von v. Waltenhofen und Casperson wäre zunächst der Beweis zu erbringen, daß die Magnetisierbarkeit und die Schmelzbarkeit des Materials durch den elektrischen Strom tatsächlich der Härte proportional sind. – Die Behauptung von Kick, daß die Scherfestigkeit ein absolutes Maß für die Härte gibt, ist ebenfalls zunächst noch durch zahlreichere Versuche zu erweisen. Ferner birgt die für das Kicksche Verfahren vorgeschriebene allseitige und derart feste Einschließung der Probe, daß sie nach keiner Seite ausweichen kann, sondern die Scherbacken immer vollkommen ausfüllt, die Gefahr in sich, daß das Material hierdurch eine Veränderung seiner Eigenschaften erleidet, also nicht mehr in dem ursprünglichen Zustande dem Scherversuch bezw. der Härtebestimmung unterworfen wird. Ganz besonders gilt dies von den starren Körpern, die durch den allseitigen Druck zunächst in den bildsamen Zustand übergeführt werden sollen, um sie überhaupt für den Versuch tauglich zu machen. Schließlich vermeint Kick, er messe die Schubelastizität, weil das Abscheren plötzlich erfolge, sobald die Elastizitätsgrenze auf der ganzen Scherfläche gleichzeitig überschritten werde. Der Beweis hierfür fehlt, und es ist im Gegenteil anzunehmen, daß dem Abscheren stets Verdrückungen vorausgehen, wenn nicht die Scherbacken sehr breit gewählt werden, so daß unter ihnen die Druckelastizität des Probematerials früher überschritten wird als die Scherfestigkeit. Mit breiten Scherbacken ist nun aber wieder die Gefahr verbunden für das Eintreten von Biegungsspannungen, welche die reine Scherwirkung beeinträchtigen. – Haußner gibt kein besonderes Verfahren zur Durchführung der von ihm auf Grund von Hobelversuchen vorgeschlagenen Prüfung der Härte nach Scher- und Druckfestigkeit an. Eine getrennte Feststellung beider Eigenschaften dürfte das Richtige nicht treffen, da auch beim Hobeln die Scherfestigkeit des unter Druck befindlichen und hierdurch wahrscheinlich veränderten Materials in Frage kommt. Das Verfahren vereint ungewollt beide Inanspruchnahmen in sich und ist vielleicht gerade deshalb im Sinne Haußners das geeignete. Jedenfalls ist dies aber zunächst durch eingehende vergleichende Untersuchungen zu begründen. Hierbei müßte zugleich auch der Einfluß des Verhältnisses zwischen den Größen der Scher- und Druckflächen bei sprödem und biegsamem Material untersucht werden.

Literatur: [1] Mehrtens, Eisen und Eisenkonstruktionen, S. 275. – [2] Glasers Ann. f. Gewerbe- und Bauwesen 1882. – [3] Poggend. Ann., Bd. 108, S. 175. – [4] Proceedings of the Birmingham Philosophical Society, Vol. 5, T. 2. – [5] Recherches experimentales sur la dureté des corps 1885. – [6] Sitzungsber. d. Ver. f. Gewerbefl. 1888, S. 40. – [7] Mitteil. d. technol. Gewerbemuseums zu Wien, 1891, S. 79. – [8] Glasers Ann. f. Gewerbe- und Bauwesen 1885, Bd. 2, S. 107. – [9] Engineering 1886, Bd. 2, S. 481. – [10] Uchatius, Stahlbronze, Vortrag, gehalten 1874 im k. k. Artilleriearsenal (Gerold). – [11] Zeitschr. d. österr. Ing.- u. Arch.-Ver. 1890, S. 1. – [12] Verhandl. d. Ver. zur Beförd. d. Gewerbefl. 1882, S. 449. – [13] Zentralbl. d. Bauverwalt. 1896, S. 199. – [14] Poggend. Ann., Bd. 80, S. 37. – [15] Mitteil. a. d. kgl. techn. Versuchsanstalten 1890, S. 215. – [16] Desgl. 1890, S. 277. – [17] Dingl. Polyt. Journ. 1892, Bd. 286, S. 271. – [18] Oesterr. Zeitschr. f. Berg- u. Hüttenw. 1891, S. 365. – [19] Zentralbl. d. Bauverwalt. 1889, S. 237. – [20] Desgl., S. 313. – [21] Dingl. Polyt. Journ. 1889, Bd. 274, S. 405. – [22] Sitzungsber. d. Ver. z.B. d. Gewerbefl. 1890, S. 11. – [23] Oesterr. Zeitschr. f. Berg- u. Hüttenw. 1892, S. 379. – [24] Dingl. Polyt. Journ. 1893, Bd. 288, S. 240. – [25] Desgl. 1891, Bd. 281, S. 292. – [26] Mitteil. d. technol. Gewerbemuseums zu Wien 1891, S. 267. – [27] Dingl. Polyt. Journ. 1863, Bd. 170, S. 201 u. 346. – [28] Desgl. 1875, Bd. 217, S. 357. – [29] Engineering and Mining Journ. 1891, Bd. 1, S. 170. – [30] Oesterr. Zeitschr. f. Berg- u. Hüttenw. 1891, S. 330. – [31] Baumaterialienkunde 1900, S. 276. –[743] [32] Verhandl. z. Beförderung des Gewerbefleißes 1901, S. 37. – [33] Baumaterialienkunde 1903, S. 7. – [34] Mitteil. a. d. mech.-techn. Laboratorium der Kgl. Techn. Hochschule München, Heft XXV. – [35] Dingl. Polyt. Journ. 1905, Bd. 320, S. 280. – [36] Martens-Guth, Das Kgl. Materialprüfungsamt d. Techn. Hochschule Berlin, S. 305. – [37] Baumaterialienkunde 1906, S. 6.

Rudeloff.

Fig. 1.