Härte
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engl: hardness Kategorie: 
Maschinenbau Level 3
Die Härte ist eine Materialeigenschaft. In der Technik ist im wesentlichen die Härte bei Stahlwerkstoffen wichtig. Allgemeine Informationen hierzu finden Sie zum Beispiel bei wikipedia:Härte
Bei Wärmebehandlungen (Härten, Anlassen, Spannungsarmglühen,..) oder Fertigungsprozessen (wie z.B. Schweißen) wird die Härte beeinflusst.
Die Erwärmung erfolgt oft durch Ofenprozesse (relativ langsam ablaufend) oder durch Induktion (relativ schnell ablaufend). Im allgemeinen wird bis Temperaturen im Bereich von 800°C oder 1000°C aufgeheizt. Man strebt ein kontrolliertes Abkühlen an, da im wesentlichen der Abkühlvorgang die Härte bestimmt. Die Abkühlung erfolgt meistens mit Wasser, Emulsionen oder mit Öl. Die Abkühlgeschwindigkeit wird im allgemeinen ausgedrückt durch die t8/5-Zeit, das ist diejenige Zeit, die beim Abkühlen zwischen 800°C und 500°C vergeht. Beim Härten treten t8/5-Zeiten von 1 s bis 100 s auf. Bei anderen Wärmebehandlungen können höhere t8/5-Zeiten auftreten. Beim Schweißen erfolgt die Abkühlung im wesentlichen durch unkontrollierte Effekte wie Wärmeleitung in das angrenzende Material, dort ist mit sehr kleinen t8/5-Zeiten von 0.1 s bis 10 s zu rechnen.
Härte und Härtbarkeit wird messtechnisch beurteilt mit dem Stirnabschreckversuch nach Jominy (DIN EN ISO 642). In der Literatur wird meistens über den Stirnabschreckversuch berichtet, indem die Versuchsdurchführung und das Härte-Ergebnis dargestellt werden. Im Versuch wird eine zylindrische Probe des Materials relativ langsam aufgeheizt, so dass durchgehend eine hohe Temperatur vorliegt. Dann wird die untere Stirnfläche durch Besprühen mit einem Kühlmedium abgekühlt. Der Temperaturabfall ist damit durch die Konvektion an der Unterseite, den Seiten und die Wärmeleitung im Material bestimmt. Eine typische Darstellung sieht etwa so aus wie hier rechts dargestellt, hier die Härte-Werte (HRC) für einen Stahl 42CrMo4 mit Öl-Abschreckung. Damit sind die physikalischen Effekte des transienten Temperaturfeldes und diejenigen der Metallurgie (Phasenumwandlung) verknüpft und nicht zu trennen.
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Simulation
Die Simulation von Schweißprozessen und Wärmebehandlungen mit dem Ziel, die Härte zu berechnen, werden im allgemeinen mit der FEM als transiente Simulation des Temperaturfeldes und einer anschließenden Bestimmung der Härte durchgeführt. Dabei wird vorausgesetzt, dass die Härte im wesentlichen von dem zeitlichen Verlauf der Temperatur abhängt. Es ist üblich, Einflüsse der Strukturmechanik (durch Dehnungen oder Spannungen) auf die Härte zu vernachlässigen.
Bei der Simulation eines Stirnabschreckversuches mit der FEM als transiente Simulation des Temperaturfeldes ergeben sich die Temperaturen in der Probe als Funktion der Zeit. Die Härte kann daraus abgeleitet werden. Hier in dem rechts gezeigten Beispiel wurde für einen ähnlichen Werkstoff die Härte in Abhängigkeit von der lokalen Abkühlgeschwindigkeit bestimmt.
Bei technischen Prozessen wie Wärmebehandlungen, Oberflächenhärten, Schweißen liegen komplexere zeitliche Temperaturverläufe vor. Für solche Anwendungen wird die Härte im allgemeinen über die STAZ-Parameter bestimmt. Diese Abkürzung ist geprägt durch
- die Spitzentemperatur Tmax (also die höchste Temperatur, die bei dem Aufheiz-Abkühl-Prozess erreicht wurde) und
- die Abkühlzeit t8/5 (das ist diejenige Zeit, die beim Abkühlen zwischen 800°C und 500°C vergeht).
In der Simulation wird hierfür ein Funktions-Array verwendet, in dem die Härte in Abhängigkeit dieser Parameter als Wertetabelle definiert ist. Ein Beispiel für ein solches Funktions-Array ist hier rechts gezeigt. Abhängig von der Spitzentemperatur Tmax sind Härte- und Anlass-Vorgänge abgedeckt.
Eine Erweiterung stellt die STAAZ-Methode dar, bei der zusätzlich als weiterer Parameter
- die Austenit-Verweilzeit taust
zugrunde gelegt wird. Diese Methode hat sich insbesondere für Schweißprozesse bewährt, bei denen die Verweilzeit im Austenitbereich kurz ist und damit eine nur unvollständige Austenitisierung auftreten kann. In der Simulation wird hierfür das Funktions-Array erweitert (3-dimensional).
Vernetzung
Bei der Simulation des Härtens muss die Diskretisierung an den Prozess angepasst werden. Das Abkühlen, das für die Veränderungen im Material (Phasenumwandlung) wesentlich ist, findet durch Wärmeabfuhr an der Oberfläche statt. Wichtig sind die zeitlichen Temperaturgradienten (Abkühlrate, also Temperaturänderung über der Zeit). Dabei treten auch hohe örtliche Temperaturgradienten (Temperaturänderung entlang einer Strecke, hier im wesentlichen von der Oberfläche des Modells in das Innere hinein) auf. Um diese Größen ausreichend genau zu berechnen, sollte die Vernetzung so gesteuert werden, dass das Netz in das Innere des Modells hinein fein ausgeführt wird. Damit ist die Netzfeinheit normal zur Oberfläche gemeint (tangential zur Oberfläche kann das Netz gröber sein, und auch das Kantenlängenverhältnis ist dabei von untergeordneter Bedeutung).
Beim Randschichthärten ergeben sich zusätzlich durch die Wärmezufuhr (Aufheizen) durch Flammen oder magnetische Induktion (Induktionshärten) am Rand zeitliche und örtliche Temperaturgradienten. Auch – und vielleicht hierbei noch mehr – sollte bei der Diskretisierung auf eine feine Netzteilung an der Modell-Oberfläche geachtet werden.
Aufkohlung
Auch der Kohlenstoffgehalt hat einen großen Einfluss auf die Härte. Die Änderung des Kohlenstoffgehaltes bei der Aufkohlung erfolgt durch eine Diffusion an der Oberfläche des Bauteils, wenn bei der Wärmebehandlung ein Medium mit einer hohen Kohlenstoffkonzentration verwendet wird. Der Kohlenstoff diffundiert (wandert) von dem Bereich der hohen Konzentration (das ist das Medium) langsam in den Bereich der geringeren Konzentration (das ist die Bauteiloberfläche und das Bauteil-Innere). Der Übergang vom Medium zur Bauteiloberfläche wird durch die Kohlenstoff-Übergangszahl β charakterisiert (direkt vergleichbar zum Wärmeübergangskoeffizienten bei Konvektion im Temperaturfeld). Die Diffusion im Bauteil wird durch das 2. Fick'sche Diffusionsgesetz beschrieben - diese Differentialgleichung entspricht genau derjenigen des Temperaturfeldes. Die Aufkohlung dauert meistens Stunden und ergibt eine Erhöhung des Kohlenstoffgehaltes um einige % von einigen mm Eindringtiefe.
Diese Diffusion kann gekoppelt mit dem Temperaturfeld simuliert werden (beides sind Potentialfelder). Dabei kann eine Temperaturabhängigkeit der Diffusion berücksichtigt werden.
Der Kohlenstoffgehalt im Bauteil kann dann zusätzlich zu den vorher genannten Temperatur-Parametern (Tmax, t8/5) für die Bestimmung der örtlichen Härte verwendet werden.
Sonstige Begriffe
- Schweißsimulation: Simulation des Fertigungsvorganges bei einer Schweißung mit dem Ziel, die Vorgänge und Folgen der Herstellung der Schweißnaht zu bestimmen.
- Schweißnaht: Hinweise für eine Simulation mit dem Ziel, für die ausgeführte Schweißnaht einen Festigkeitsnachweis zu erbringen.
- Induktionshärten: Wärmebehandlung mit induktiver Erwärmung
Fallbeispiele
Simulation of Residual Stresses in an Induction Hardened Roll
