KNOOP-Härte

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KNOOP-Härte

Grundlagen

Das Härteprüfverfahren nach KNOOP wurde 1939 von Knoop, Peters und Emerson in die Werkstoffprüfung eingeführt. Es gehört zu den klassischen konventionellen Prüfverfahren zur Bewertung der Härte, wobei von vornherein eine Zuordnung zum Kleinlast- bzw. Mikrobereich erfolgte und als höchste Prüfkraft 10 N empfohlen wurde. Als Eindringkörper wird eine asymmetrische vierseitige Diamantpyramide mit einem Diagonalenverhältnis von 7,114 : 1 verwendet. Dieser Knoop-Eindringkörper hat mit 172°30‘‘ bzw. 130° zwei unterschiedliche Spitzenwinkel. Auf Grund dieser Geometrie wird der Knoop-Eindringkörper (Indenter) auch vorteilhaft zur Lösung anwendungstechnischer Probleme mit Hilfe der instrumentierten Mikrohärteprüfung (siehe Instrumentierte Härteprüfung) eingesetzt.

Definition der KNOOP-Härte

Im Gegensatz zur Vickers-Härte, bei welcher zur Berechnung die Eindruckoberfläche herangezogen wird, erfolgt die Ermittlung der KNOOP-Härte mit Hilfe der Projektionsfläche des Eindruckes. Die Berechnung von HK erfolgt unter der Verwendung der großen Eindruckdiagonalen:

$HK\,=\,{\frac {F}{A}}\,=\,{\frac {14{,}23\cdot F}{l^{2}}}$

mit

HK		KNOOP-Härte in N/mm2
F		Prüfkraft in N
A		projezierte Eindruckoberfläche in mm2
l		große Eindruckdiagonale in mm

Das KNOOP-HÄRTE-Verfahren ist besonders geeignet zur Ermittlung von Kennwerten in oberflächennahen Schichten und sehr dünnen Prüfkörpern, da die Eindringtiefe der langen Diagonale zur kurzen Diagonale im Verhältnis 1 : 30,514 steht (Bild 1).

Bild 1:

Schematische Darstellung einer Knoop-Härte Prüfung

Auf Grund dieses Eindringtiefenverhältnisses werden extreme Anforderungen an die Ebenheit und Rauheit der zu prüfenden Oberfläche bzw. die geometrischen Abmessungen des Prüfkörpers gestellt. Die KNOOP-HÄRTE eignet sich zum Nachweis von Eigenspannung und insbesondere auch von strukturellen und morphologischen Anisotropieeffekten, indem die Richtungsabhängigkeit der ermittelten HK-Kennwerte betrachtet wird.

Eignung der KNOOP-Härte zum Nachweis von Orientierungen

Das Bild 2 zeigt schematisch den Einfluss der Orientierung auf die Eindruckgeometrie.

Bild 2:

Schematische Darstellung des Einflusses von Orientierungen auf die Längs- und Querdiagonale der Eindruckfläche bei der KNOOP-HÄRTE (oben) und Bestimmung der Anisotropie von ausgewählten Kunststoffen (nach Weiler; unten)

Bei orientierten thermoplastischen Werkstoffen sind die Spannungen unter dem Indenter in Orientierungsrichtung größer als senkrecht dazu. Nach Entlastung des Indenters ist die Verkürzung der Diagonalen des Eindringkörpers unterschiedlich stark ausgeprägt, da das Dehnungsfeld nicht mehr symmetrisch ist.

Liegt die große Hauptachse parallel zur Orientierung verläuft die maximale Dehnung senkrecht zur Vorzugsrichtung der Molekülketten, was zu einem vergrößerten Eindruck führt. Somit werden in Orientierungsrichtung höhere Härtewerte als senkrecht dazu ermittelt.

Ist die große Hauptachse senkrecht zur Vorzugsrichtung der Molekülketten orientiert, tritt die maximale Dehnung parallel zur Molekülorientierung auf, woraus ein verkleinerter Eindruck entsteht. Die mit dem Härteprüfverfahren nach Knoop ermittelten Kennwerte erweisen sich als ausgesprochen sensitiv, um Anisotropien in Werkstoffen nachzuweisen.

Literaturhinweise

• Knoop, F., Peters, C., Emerson, W. B.: J. Res. Nat. Bur. Stand. 23 (1939) 39
• ASTM E 384 (2017): Standard Test Method for Microindentation Hardness of Materials
• ASTM D 1474/D1474M (2013; reapproved 2018): Standard Test Method for Indentation Hardness of Organic Coatings
• VDI/VDE 2616 Blatt 2 (2014-07): Härteprüfung an Kunststoffen und Elastomeren
• Blumenauer, H. (Hrsg.): Werkstoffprüfung. Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie, Leipzig Stuttgart (1994) 6. Auflage, (ISBN 3-342-00547-5; siehe AMK-Büchersammlung unter M 3)
• Grellmann, W., Seidler, S. (Hrsg.): Kunststoffprüfung. Carl Hanser Verlag, München (2015) 3. Auflage, S. 196/197 (ISBN 978-3-446-44350-1; siehe AMK-Büchersammlung unter A 18)
• Weiler, W.: Härteprüfung an Metallen und Kunststoffen. 2. aktualisierte und erweiterte Auflage, Expert Verlag, Renningen (1990), (ISBN 978-3816905523)