Die Härteverläufe von Werkstoffen verstehen
Die Härte ist eine grundlegende mechanische Eigenschaft eines Werkstoffs, die seinen Widerstand gegen Eindringen, Schlag und Verschleiß.
Heute reicht es nicht aus, die Härte eines Grundwerkstoffs zu kennen. Es ist entscheidend zu bewerten, wie sich diese Eigenschaft verändert, wenn das Material eine Umwandlung erfährt, etwa beim Schweißen. Hier kommt die Analysemethode des Härteverlaufs ins Spiel.
Was ist ein Härteverlauf?
La filiation de dureté est une série de mesures ponctuelles réalisées le long d’une ligne précise sur un échantillon.
L’objectif est de cartographier l’évolution de la dureté à travers des zones spécifiques où le matériau a été modifié.
Cette technique est particulièrement intéressante pour évaluer l’impact d’un traitement thermique ou pour analyser la qualité d’un cordon de soudure.
La filiation permet de tracer un « profil » de dureté, révélant les zones où la matière a pu s’adoucir ou, au contraire, se fragiliser en devenant excessivement dure.
Die Vickers-Mikrohärte (HV): die Referenzmethode für den Härteverlauf
Um einen zuverlässigen Härteverlauf zu erhalten, erfordert die Analyse eine Methode, die die Härte mit hoher Präzision und feiner räumlicher Auflösung messen kann. Die bevorzugte Technik ist häufig die Vickers-Mikrohärte (HV).
Das Prinzip der Vickers-Härteprüfung
Bei der Vickers-Prüfung wird ein Diamant-Eindringkörper in Pyramidenform unter einer normierten Last in die Oberfläche des Werkstoffs gedrückt.
Die Kraft wird aufgebracht (oft eine Mikrohärte HV 0,3 für Feinanalyse, was eine sehr geringe Last angibt),
Nach dem Entfernen der Last werden die beiden Diagonalen des hinterlassenen Eindrucks optisch gemessen.
Die Vickers-Härte (HV) wird anschließend aus der aufgebrachten Kraft und der durchschnittlichen Größe des Eindrucks berechnet.
Der Einsatz der Mikrohärte (HV 0,3) ist für den Härteverlauf unerlässlich, da er sehr eng beieinanderliegende Messungen in mikroskopischen Bereichen ermöglicht und gleichzeitig die in Normen wie der NF EN ISO 6507-1:2023 vorgeschriebenen Mindestabstände einhält.
Der Härteverlauf und die Untersuchung von Schweißverbindungen
Eine der wichtigsten Anwendungen des Härteverlaufs ist die Untersuchung von Schweißverbindungen. Beim Schweißen zweier Teile beeinflusst die intensive Wärme des Schmelzbads unweigerlich das angrenzende Grundmetall. Dieser Bereich wird als Wärmeeinflusszone (WEZ) bezeichnet.
In der WEZ durchläuft das Metall einen schnellen thermischen Zyklus (Erwärmung und anschließende Abkühlung), was zu Veränderungen seiner Mikrostruktur und folglich seiner mechanischen Eigenschaften führt.
Die Herausforderung ist groß :
Eine zu harte WEZ kann eine Versprödung und ein erhöhtes Risiko für Kaltrissbildung bedeuten.
Eine zu weiche WEZ kann die gesamte mechanische Festigkeit der Verbindung beeinträchtigen.
Chemische Veränderungen (wie die Ausscheidung von Chromkarbiden) können das Risiko von Korrosion erhöhen.
Der Härteverlauf ermöglicht es, das Härteprofil über drei kritische Bereiche präzise zu visualisieren: das unbeeinflusste Grundmetall, die WEZ und das Schmelzmetall (Naht).
Kundenfall: Härteverlauf zur Validierung eines Schweißverfahrens
- In diesem Fall hatte der Kunde, spezialisiert auf Metallurgie, wiederkehrende Probleme mit Versprödung an einer Reihe kritischer geschweißter Bauteile. Die Fertigung nutzte das Verfahren des Lichtbogenschweißens mit umhüllter Elektrode (SMAW) auf einem niedriglegierten Stahl. Obwohl die Schweißanweisung (DMOS) eingehalten wurde, traten bei den anschließenden Qualitätskontrollen Mikrorisse auf. Das Risiko eines vorzeitigen Ausfalls der Verbindung war erheblich.
- Der Metallurge vermutete, dass der Wärmeeintrag und die anschließende Abkühlung eine kritische strukturelle Veränderung in der Wärmeeinflusszone (WEZ) verursachten. Er befürchtete die unerwünschte Bildung von Martensit, einer extrem harten, aber sehr spröden Struktur, die direkt mit dem thermischen Zyklus des Schweißens zusammenhängt.
- Der Metallurge beauftragte das Labor FILAB mit der Durchführung eines Härteverlaufs gemäß der Norm NF EN ISO 6507-1 (Vickers-Mikrohärte, HV 0,3). Diese Methode bestand darin, eine Reihe von 100 hochpräzisen Messpunkten senkrecht zur SMAW-Schweißnaht anzuordnen. Ziel war es, das Härteprofil vom Grundmetall über die WEZ bis zum Schmelzmetall zu kartieren.
- Die Ergebnisse des Härteverlaufs zeigten deutlich einen kritischen Härtepeak im Bereich der WEZ, der +50 HV (Vickers-Einheiten) gegenüber dem Grundmetall erreichte. Dieser Peak bestätigte die Hypothese des Kunden: Die Abkühlung war zu schnell, wodurch Martensit entstand und folglich ein hohes Risiko für Kaltrissbildung bestand.
- Der Gutachtenbericht ermöglichte es dem Kunden, sein Schweißverfahren anzupassen, indem er einen Schritt des Vorwärmens einführte und die Schweißenergie verringerte, um die Abkühlung zu verlangsamen. Die neuen Härteverläufe zeigten eine geglättete Härtekurve und nun den geforderten Spezifikationen entsprechende Werte, wodurch die Integrität seiner Schweißnähte bestätigt wurde.
Labor für Analysen und Expertise, spezialisiert auf Industrieunternehmen
