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Härte

Physik

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Basiswissen｜ Härteprüfung nach Brinell｜ Verfahren｜ Rechenbeispiel｜ Fußnoten


Basiswissen


Als Härte eines Gegenstandes oder Stoffes bezeichnet man dessen Widerstand gegen das Eindringen eines anderen, meist härteren Körpers.[1][2] Eines von mehreren Härteprüfverfahren ist das Verfahren nach Brinell aus dem 1900. Dieses Verfahren soll hier näher vorgestellt werden, um es im Zusammenhang mit Versuchen in einer Lernwerkstatt zu nutzen. Die Härte soll dabei ein Maß für den Erfolg einer künstlichen Zementation von Sanden sein.

Härteprüfung nach Brinell


Das Verfahren wurde erstmals im Jahr 1900 auf einer Weltausstellung vorgeführt. Die Prüfung nach Brinell ist ein optisches Messverfahren: gemessen wird die bleibende Eindrucksgröße des Eindringkörpers, bei einer Kugel etwa der Durchmesser des kreisförmigen Eindrucks.

Definition

Die Brinellhärte ist definiert als das Verhältnis von Prüfkraft zum Flächeninhalt der Eindruckfläche. Der in der Formel erscheinende Faktor 0,102 ist der gerundete Kehrwert der Erdfallbeschleunigung g.

Verfahren


Um die Messerergebnisse einigermaßen vergleichbar zu halten, gibt es einige Festlegungen (ISO 6506 / ASTM E10):

  • Ist die Kugel aus Hartmetall, bestimmt man die Brinellhärte HBW.[4]
  • Ist die Kugel aus Edelstahl, bestimmt man die Brinellhärte HB.[4]
  • Typische Durchmesser sind: D = 10; 5; 2,5 oder 1 mm[3]
  • Erlaubte Prüfkräfte F gehen: von 1 kg (10 N) bis 3000 kg (30000 N)[3]
  • Die Probe muss laut Norm mindestens achtmal so dick sein wie die Eindringtiefe der Brinellkugel.[3]
  • Die Prüflast soll laut Norm (ISO 6506) innerhalb von mindestens zwei bis maximal acht Sekunden auf ihren Endwert gesteigert werden. Die Einwirkdauer der Prüflast beträgt in der Regel 10 bis 15 Sekunden.[3]
  • Die Prüfkraft ist so auszuwählen, dass der durchschnittliche Eindrucksdurchmesser d zwischen 0,24 D und 0,6 D liegt.[3]
  • Man misst zwei senkrecht zueinander stehende Durchmesser d1 und d2 des Eindrucks.[3]
  • Man bildet das arithmetische Mittel d von d1 und d2.[3]
  • Man misst die Prüfkraft F.[3]
  • Man misst den Kugeldurchmesser D.[3]
  • Die Brinellhärte HBW oder HB ist dann: 0,102·2·F/(π·D·(D-√(D²-d²))

Rechenbeispiel


Eine Stahlkugel mit einem Durchmesser von D = 20 mm und einer Masse von 32 Gramm wurde ohne weitere Kraftaufwendung auf die Oberfläche von trockenem, lockeren Nordseestrand gelegt. Der Durchmesser des Eindrucks wurde mit einem Messschieber gemessen:

Gegeben

  • Trockener, lockeren Sand als Prüfkörper
  • Kugel aus Edelstahl, also Angabe von HB (nicht HBW)
  • Kugeldurchmesser D = 20 mm
  • Kugelmasse 32 g, entsprechend 0,32 Newton für die Prüfkraft F.
  • Durchmesser des Eindrucks: 17,35 mm (in alle Richtungen)

Formel

  • HB = 0,102·2·F/(π·D²·(D-√(D²-d²))

Einsetzen

  • HB = 0,102·2·0,32 N / (3,14·20 mm·(20 mm - √((20 mm²)-(17,35 mm)²))
  • HB ≈ 0,0001 N/mm²

Die Brinellhärte von dem geprüften Sand lag bei rund einem Zehntausendstel Newton für jeden Quadratmillimeter eingedrückter Kreisfläche. Anschließend wurde die Brinellhärte nach demselben Verfahren noch mit weiteren Kugeln gemessen. Hier sind die Ergebnisse:

  • 1) Stahlkugel D = 20 mm und m = 32 g, d = 17,35 mm : HB ≈ 0,00010 N/mm²
  • 2) Steinkugel D = 35 mm und m = 65 g, d = 21 mm : HB ≈ 0,00017 N/mm²
  • 3) Bleikugel D = 64 mm und m = 1505 g, d = 40 mm: HB ≈ 0,0011 N/mm²

Man kann mit lockerem Sand das Berechnungsprinzip leicht, etwa in einer Lernwerkstatt verdeutlichen. Aber das Verfahren ist für Festkörper gedacht und nicht für Lockermaterialien. Man sieht, dass die Werte für ein und denselben Sand bei unterschiedlich verwendeten Kugeln stark voneinander abweichen. Die Brinellhärte ist damit nicht gut geeignet, um die Härte von Sand zu bestimmen.

Fußnoten


  • [2] Härte ist definiert als die "Eigenschaft von Werkstoffen, die durch den Widerstand bestimmt wird, die ein Prüfkörper dem Eindringen eines anderen, härteren Körper entgegensetzt (Härtemessung)." In: der Artikel "Härte" Spektrum Lexikon der Physik. Abgerufen am 27. August 2025. Online: https://www.spektrum.de/lexikon/physik/haerte/6411