FAQ: Stahl, Vickers, gehärtet, wie ist das eigentlich?

Was immer wieder gefragt wird, hier kurz und bündig
Antworten
Benutzeravatar
Ralf
Beiträge: 11561
Registriert: Mi 15. Feb 2006, 12:07
Wohnort: Im Wiesental zwischen Basel und Feldberg
Tätigkeit: Dipl.-Ing. FWT
Kontaktdaten:

FAQ: Stahl, Vickers, gehärtet, wie ist das eigentlich?

Beitrag von Ralf » Fr 3. Mär 2006, 18:57

Ich versuch es mal soweit wie möglich abseits der ingenieurmässigen Nomenklatur, um wenigsten etwas allgemein verständlich zu werden. (Rückfälle bitte ich zu entschuldigen)

Um mal anschaulich klarzumachen, WOVON wir hier eigentlich reden, eine Beispielrechnung zum Thema Vickers. Wie schon an anderer Stelle geschrieben, eine pyramidenförmige Diamantspitze ins Material gedrückt. Kraft kann je nach Härte und Werkstoff 5, 10, 20, 30, 50 oder 100 kp (die Prüfung gibt es schon etwas länger, offizell sind es jetzt 49, 98, ... Newton). Ich nehme mal für die Rechnung 20 kp. Was passiert bei 1000 und bei 1600 HV? Es entsteht ein Abdruck mit einer Diagonal von 1000 HV = 0,061 mm ; 1600 HV = 0,049 mm. Die Tiefe dabei ist bei 1000 HV 0,009 mm, bei 1600 HV 0,007 mm. Der Druck, der dabei entsteht entzieht sich der menschlichen Vorstellung. (1 (EIN) HV entspricht ziemlich genau 100 N/mm² = 10 KILOmeter Tauchtiefe !!!) Das hilft für das Verständnis wenig. Deswegen ein andere Ansatz. 20 kp kann man nicht nur über eine Kraft erzeugen, sondern auch dank F = ma aus Masse mal Beschleunigung. Nehme ich doch einfach mal 98 gr. als Masse für die Uhr an - ich weiss, ein bisschen wenig, aber das gibt eine schöne glatte Zahl - dann braucht es für 20 kp eine Beschleunigung von 2000 m/s² , gut das 200fache der Erdbeschleunigung. Kann man sich auch schwer vorstellen. Deswegen noch eine Rechnung oben drauf. Ich mach mal die Annahme, das beim Auftreffen auf die Diamantspitze die Verzögerung konstant wäre. Ist sie nicht, am Anfang ist sie niedriger, am Ende höher, aber ich nehme einfach mal eine Konstante als Mittelwert an. Der Abdruck war 0,009 und 0,007 mm tief. Das sei der Bremsweg, die Spitze soll mal Null nachgeben. Damit kann man die Aufprallgeschwindigkeit ausrechnen, die genauso schlimm wäre wie 20 kp. (theoretisch unabhängig von den Vickers, aber, wie gesagt, Näherung, als nur ganz grob). Es wären circa 5,5 - 6 m/s. Die meisten denken in km/h: ~20 km/h. Hört sich für einen Autofahrer auch nicht SO viel an. Das wiederum kann man aber jetzt sehr anschaulich in Fallhöhe ausdrücken: 1 + 3/4 METER = Augenhöhe eines stehenden Mannes.

Wer lässt jetzt seine Uhr freiwillig aus Augenhöhe auf eine superharte Spitze fallen??? Ich nicht. Und wenn es unfreiwillig passiert hätte ich sicher ganz andere Sorgen als ob der Kratzer jetzt 9 oder 7 Mikrometer tief ist. Bei welcher Fallhöhe soll denn dann die gehärtete Uhr "durchbrechen"? Selbst wenn, was, bringts, wenn das Innenleben dabei sowieso atomisiert ist?

Berechtigte Frage: "Warum habe ich dann andauernd Kratzer in meiner Uhr? Ohne mit einer Kalaschnikov drauf zu schiessen!"

Ganz einfach: die üblichen Kratzer liegen in der Grössenordnung der Wellenlängen des sichtbaren Lichts: unter und um 1 Mikrometer. (Der HV 5kp Fall läge bei 7 km/h, das ist schon "armschlenkern" und liefert immerhin 4 Mikrometer Tiefe)

Eisen (Fe) hat eigentlich eine Zugfestigkeit von 10N/mm², eine Härte von ein paar Vickers, mehr nicht. Sobald die entsprechende Spannung im Kristallgitter zwischen den Fe-Atomen überschritten wird, beginnen die Atomlagen des Gitters aufeinander abzugleiten. Auch in Stahl. Wieso hat aber Stahl dann eine so viel höhere Zugfestigkeit? Die anderen Legierungsbestandteile sorgen für Fehler im Gitter und besonders an den Enden der Einzelkristalle, dort wo sie an das nächste Kristall stossen. Die Fehlstellen sind sowas wie "Bremsklöze", die zwingen die Eisenatome wieder in die ursprüngliche Lage zurück, wenn die Kraft wieder weg ist. Deswegen federt Stahl zurück, und bleibt nicht wie Knetgummi einfach stehen. Dass nennt man "elastisch" . Irgendwann reicht der Widerstand der Fehlstellen nicht mehr aus, es verbiegt sich, das nennt man dann "plastisch". Kratzer sind mikroskopische plastische Verformungen.

Die Härte ist ein Mass für den Punkt, bei dem ein Werkstoff eine plastische, also bleibende Verformung erleidet. Ein anderes Mass für diesen Punkt ist die Streckgrenze. Die Streckgrenze benutzt man hauptsächlich zum Berechnen, sie wird in N/mm² angegeben. Zum Messen des Wertes braucht man aber einen speziell geformten Probestab. Das kann man nicht z.B. an einem Uhrengehäuse messen, zum Prüfen nimmt man deswegen dann die Härte. Je höher die Härte, desto höher ist auch die Streckgrenze. Nun gibt es noch eine weitere wichtige Kenngrösse für Stahl, den E-Modul. Der sagt aus, wieviel Kraft man für eine bestimmte elastische Verformung braucht, also wie steif der Werkstoff ist. Kann man sich wie eine Federkonstante vorstellen. Die nicht so ganz einsichtige Sache ist nund, dass der E-Modul bei Stählen sich praktisch mit der Härte nur unwesentlich verändert: 215000 N/mm² plus/minus einige Prozente.

Mal zwei Stahlfedern mit gleichen Abmessungen: Feder A, ungehärtet = niedrige Streckgrenze = niedrige Härte (grün), Feder B, gehärtet = hohe Streckgrenze = hohe Härte (blau).

Bild

So lange beide im elastischen Bereich sind biegen sich beide auch gleich (1kg). Werkstoffhärte und E-Modul sind zwei unterschiedliche Dinge, auch wenn man üblicherweise eine steife Feder als "hart" bezeichnet. Der elastische Bereich der gehärteten Feder ist grösser, bei der weicheren Feder geht die Verformung dann nur noch teilweise zurück (2kg). Habe ich jetzt einen knallharten Stahl kommt ein weiteres Problem: Irgendwann kommt es bei dem Verschieben zu Staus. Das ist Sche..., weil dann lösen sich die Atomlagen ab. Umgangssprachlich: es entsteht ein Riss = spröde. Deswegen sind zu viele Fehlstellen (= extreme Härtung) oft gar nicht so gut. Ist die gehärtete Feder zu spröde, passiert das Versagen durch Bruch (3kg). Deswegen nennt man das dann "geringe Bruchdehnung".

Ein uralter Trick bei dem Problem: Männe', ausssen HART und innnnnnen gaaaaaanns weiccccch. Die harte Oberfläche schüzt vor Abnutzung, Kerben, Dellen. Die weicheren Anteile innen sorgen für die Elastizität. Wenn ich jetzt die zwei Federn hintereinander hänge würde bei 2 Kilo die Weiche bleibend verbiegen. Jedoch ist das kein geeignetes Modell für einen Stahlkörper. Auch wenn die Kenngrössen Streckgrenze, Brinellhärte und Vickershärte für einen Stahl immer in einer ähnlichen Grössenordnung liegen, so bedeutet eine Streckgrenze von 1000 N/mm² eben genau dieses, 1000 HV aber einen Prüfdruck von etwas über 100000 N/mm². In der Fachsprache heisst das: "das makroskopisch und das mikroskopische Verhalten von Stahl ist sehr unterschiedlich". Etwas laienhaft gesagt: Wird nicht der gesamte Klotz belastet, sondern nur ein Punkt sind dort alle Kristalle von anderen Kristallen umgeben und auch die schieben die abgerutschen Atomlagen schön brav wieder in die Ausgangslage zurück. Bei einem oberflächengehärteten Werkstück können sie es GERADE im Inneren, WEIL dort wenig Fehlstellen sind, wenn es eben dort NICHT spröde ist. Stahl reisst innen nur, wenn die innere Spannung höher ist als die äussere. Das kann nur passieren, wenn dort eine Versetzungsaufstau ist. Ansonst versagt Stahl immer von aussen her. Habe ich GENAU dort hochfestes Material, z.B. durch Oberflächenhärtung, ist das gar keine dumme Idee. Aber egal, ob man durchhärtet oder nur die Oberfläche, es kommt halt immer drauf an, dass es RICHTIG gemacht wird.

So, das war's jetzt. Viel Spass beim Nachdenken.
Man liest sich!

Ralf

Antworten

Wer ist online?

Mitglieder in diesem Forum: 0 Mitglieder und 1 Gast