Rockwell-Härteprüfung und der Einfluss der Behandlung auf den Stahl

Die Härteprüfung ist eine einfache und relativ kostengünstige Prüfung. Sie ist schneller und weniger zerstörerisch als die Zugprüfung und gilt als eine der universell wertvollsten mechanischen Prüfungen, die Ingenieuren zur Verfügung stehen.

Die Härteprüfwerte sind empirisch, und dennoch bieten die Ergebnisse eine sehr gute Korrelation mit der Materialfestigkeit über eine Vielzahl von Materialien. Wenn in einer Härteprüfung eine bekannte Kraft aufgebracht wird, bestimmt die Menge der plastischen Verformung, die das Material erfährt, den Härtewert.

Bei der Prüfung vom Rockwell-Typ messen belastete Eindringkörper unterschiedlicher Größe und Form die Härte. Für dieses Experiment werden wir die Härte von unbehandeltem und wärmebehandeltem Stahl mit dem Rockwell-Härtetest messen und vergleichen.

Zu den gebräuchlichen Methoden zur Messung der Härte von Metallen gehören die Brinell-, Vickers-, Knoop- und Rockwell-Härte BNC. Bei jeder dieser Methoden wird ein Penetrator verwendet, entweder in Form einer Kugel, eines Kegels oder einer Diamantpyramide.

In die Oberfläche eines Metalls wird eine Vertiefung eingearbeitet und ein Härtemesswert wird angezeigt. Von dieser Liste ist die Rockwell-Härteprüfung die beliebteste für Baustähle. Ein Standard-Hand-Rockwell-Prüfgerät besteht aus einem Hebelsystem zum Aufbringen der Last und einer analogen Anzeige der Härtezahl.

Bei der typischen Rockwell-Prüfung wird ein Nullpunkt festgelegt, um Oberflächenschwankungen durch Aufbringen einer Vorlast und Messen einer anfänglichen Eindringtiefe zu berücksichtigen. Als nächstes wird die Hauptlast auf den Eindringkörper aufgebracht. Abschließend wird die Last entfernt und die endgültige Eindringtiefe gemessen. Die Messuhr auf der Oberseite der Maschine verwendet die Differenz zwischen diesen beiden Werten, um einen Rockwell-Härtewert anzuzeigen. Je härter das Material ist, desto weniger dringt der Eindringkörper ein, was zu einem höheren Rockwell-Härtewert führt. So basieren die Werte für die Rockwell B- und Rockwell C-Härte auf der Eindringtiefe, weshalb die Prüfmaschinen häufig mit Kalibrierprüfblöcken für bestimmte Härtebereiche kalibriert werden.

Mit der Rockwell-Härteprüfung kann beurteilt werden, wie sich die Festigkeit eines Materials durch Verfahren wie Wärmebehandlung oder Kaltwalzen verändert. Kaltwalzen führt in der Regel zu festeren und härteren Materialien. Durch die Wärmebehandlung können durch Erhitzen weichere Materialien, durch Abschrecken jedoch härtere Strukturen entstehen.

Bei der Jominy-Endabschreckung wird beispielsweise eine zylindrische Probe gleichmäßig erhitzt. Ein Ende wird dann mit einem Wasserstrahl abgeschreckt. Änderungen entlang der Länge der Probe vom abgeschreckten Ende zum unvergüteten Ende sind in den Härtewerten zu erkennen, die repräsentativ für Änderungen im Gefüge sind.

Im nächsten Abschnitt messen wir die Härte entlang der Länge eines Jominy-Endabschreckprüfmusters aus Stahl, um den Übergang von unbehandeltem zu wärmebehandeltem Stahl mit dem Rockwell-Härtetest zu beobachten.

Bevor Sie beginnen, machen Sie sich mit der Prüfmaschine vertraut. Der Amboss, der durch das Spillhandrad angehoben oder abgesenkt werden kann, trägt eine Probe unter dem austauschbaren Eindringkörper.

Eine Prüfkraft wird über den Wahlschalter an der Seite der Maschine ausgewählt und durch Drehen des Lasthebels von der Entladeposition in die Beladeposition aufgebracht. Die korrekten Vor- und Endmessungen werden mit der Messuhr auf der Oberseite der Maschine bestimmt.

Vergewissern Sie sich vor dem Einsetzen des Prüflings, dass der Diamantkegeleindringkörper Rockwell C eingebaut ist und die Prüfkraft auf 150 Kilogramm eingestellt ist. Befestigen Sie die Probe in der Maschine mit der ebenen Fläche gegen den Amboss. Für diese Demonstration verwenden wir eine Jominy End Quenched-Probe, die einer Wasserkühlungsbehandlung unterzogen wurde.

Bewegen Sie den Lasthebel in die Entladeposition und heben Sie dann den Amboss an, um die Probe in die Nähe des Eindringkörpers zu bringen. Stellen Sie die Position der Probe so ein, dass der Eindringkörper ein Sechzehntel Zoll vom Ende entfernt ist. Wenn die Position korrekt ist, die Probe wieder so sichern, dass sie sich während der Prüfung nicht bewegt. Heben Sie nun die Probe erneut an, bis sich die Nadel auf dem vorderen Zifferblatt leicht zu bewegen beginnt, was anzeigt, dass der Kontakt mit dem Eindringkörper hergestellt ist.

Wenden Sie die Vorspannung an, indem Sie die Probe langsam weiter anheben, bis die Nadel auf dem Zifferblatt drei volle Umdrehungen absolviert hat. Stoppe, wenn die Nadel die dritte Umdrehung beendet hat. Stellen Sie den äußeren Ring der Messuhr so ein, dass der Anfangswert Null ist. Bewegen Sie dann den Lasthebel in die Lastposition, um die Prüfkraft aufzubringen. Die Nadel pendelt sich auf einen neuen Wert ein, wenn die Last aufgebracht wird. Warten Sie, bis er sich nicht mehr bewegt, und bewegen Sie dann den Lasthebel zurück in die Entladeposition.

Notieren Sie die Rockwell-C-Härte von der Messuhr und senken Sie dann den Amboss, um die Probe vom Eindringkörper weg zu bewegen. Wiederholen Sie diesen Test über die gesamte Länge der Probe. Die ASTM-A255-Richtlinien legen fest, dass die Messungen in Abständen von einem Sechzehntel Zoll für den ersten halben Zoll und in Abständen von einem Achtel Zoll für den nächsten halben Zoll durchgeführt werden sollten.

Plotten Sie die Rockwell-Härte der Probe als Funktion der Position entlang der Probe. Die Härte nimmt mit zunehmendem Abstand zum abgeschreckten Ende deutlich ab.

Der Rockwell-Härtetest wurde verwendet, um zu zeigen, dass aufgrund der Abkühlgeschwindigkeit die Veränderung der inneren Struktur des Materials die Härte des Materials beeinflusst, was wiederum die Festigkeit des Materials anzeigt.

Nachdem Sie nun die Härteprüfung für ihre Benutzerfreundlichkeit zu schätzen wissen, werfen wir einen Blick darauf, wie sie angewendet wird, um die Qualität von Alltagsprodukten zu gewährleisten.

Härtewerte können mithilfe von Diagrammen, die aus empirischen Gleichungen abgeleitet werden, leicht in Festigkeitswerte umgerechnet werden. Erwartungsgemäß haben weichere Werkstoffe niedrigere Festigkeitswerte und härtere Werkstoffe höhere Festigkeitswerte. Aus diesem Grund können Härtewerte anstelle von teureren Zugversuchen verwendet werden, um die Festigkeit von Dingen vorherzusagen, die wir täglich verwenden.

Wenn Sie sich auf einem Gartengrill umsehen, werden Sie viele Produkte sehen, die aufgrund von Härteprüfungen als sicher eingestuft werden. Gartenstühle aus Metall, Gitter auf dem Grill in einem breiten Temperaturbereich, Messer aus gehärtetem Stahl und die Poolleiter aus Metall unter Wasserbedingungen. Alle wurden wahrscheinlich auf Härte getestet, um die Sicherheit der Verbraucher zu gewährleisten.

Sie haben gerade die Einführung von JoVE in den Rockwell-Härtetest gesehen. Sie sollten nun verstehen, warum die Härteprüfung häufig verwendet wird, wie man Härteprüfungen durchführt und wie man die erzielten Ergebnisse analysiert.

Danke fürs Zuschauen!