DE3918195A1 - Verfahren und vorrichtung zur erfassung, aufnahme und messung der bei einwirkung einer last auftretenden elastischen und elastoplastischen verformung einer oberflaeche eines prueflings - Google Patents
Verfahren und vorrichtung zur erfassung, aufnahme und messung der bei einwirkung einer last auftretenden elastischen und elastoplastischen verformung einer oberflaeche eines prueflingsInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erfassung, Aufnahme
und Messung der bei Einwirkung einer Last auftretenden ela
stischen und elastoplastischen Verformung einer Oberfläche
eines Prüflings, insbesondere auch zur Messung der Randschicht
härtetiefe eines Prüflings.
Das erfindungsgemäße Verfahren dient insbesondere zur Messung
von Härtekennwerten bei sehr harten und wenig duktilen Werk
stoffen, sowie zur Messung der Randschichthärtetiefe eines
Bauteils bzw. Prüflings. Es wird dabei die Oberfläche des
Prüflings mit einem Belastungskörper belastet, wobei nicht nur
der Eindringweg des Belastungskörpers gemessen wird, sondern
gleichzeitig die elastische Verformung der Oberfläche, ausge
hend vom Lastaufbringungspunkt, in ihrem radialen Verlauf er
faßt wird.
Die Prüfung der Härte eines Werkstoffs insbesondere bei metalli
schen Konstruktionswerkstoffen ist ein sinnvolles und sehr
rationell durchzuführendes Prüfverfahren, um mechanische Kenn
werte des Werkstoffes aufzunehmen und als Kriterium zur Quali
tätssicherung heranzuziehen, heranzuziehen. Aus der Härte
läßt sich innerhalb bestimmter Werkstofftypen, z.B. unlegier
ten Stählen, auf die Festigkeit schließen. Auch ohne solche
Umrechnungen stellt die Härte für sich bereits einen Kennwert
dar, für den sich bestimmte Vorgaben machen lassen, um eine
gleichmäßige Qualität des Werkstoffs zu sichern und um das
Ergebnis, beispielsweise von Kaltverformungen und Wärmebe
handlungen, zu überprüfen. So ist es z.B. üblich, den Wärme
behandlungszustand eines Werkstoffs mit Hilfe der Härte fest
zulegen.
Zur Durchführung der Härteprüfung werden in der Regel Prüf
linge benützt, die unter einer definierten Belastung plastisch
in die Werkstoffoberfläche eindringen. Der verbleibende Druck,
z.B. einer Pyramide oder einer Kugel, an der Oberfläche und/oder
Eindringweg eines solchen Prüflings werden gemessen und als
Kennzeichnung der Härte des jeweiligen Werkstoffs herangezogen.
Eine solche Art der Härteprüfung setzt eine gewisse Duktilität
des Werkstoffs voraus, so daß diese Prüfung bei sehr harten
und wenig duktilen somit also spröden Materialien ihre Grenzen
findet. Dort sind dann ersatzweise Verfahren, wie die Messung
einer Rückprallhärte in Anwendung bei der die Höhe eines ela
stischen Rücksprungs, eines definiert auf den Werkstoff auf
prallenden Körpers gemessen wird. Dieses Verfahren ist jedoch
im Vergleich zur Eindringhärte relativ ungenau, hängt von einer
Reihe von Störeinflüssen ab und setzt schließlich ein definier
tes und ausreichend differenzierendes elastisches Verhalten
zur Kennzeichnung der Werkstoffeigenschaften voraus.
Eine ganz besondere Aufgabe stellt sich bei der Prüfung von
randschichtgehärteten Bauteilen. Anwendung findet die Rand
schichthärtung z.B. bei Wellen und Zapfen aber auch bei Zahn
rädern an den Zahnflanken, also insgesamt bei Bauteilen, die
dynamischer Beanspruchung und zum Teil auch Verschleiß ausge
setzt sind. Durch eine hohe Härte entsprechend einer hohen E
lastizitätsgrenze werden mikroplastische Vorgänge in der Ober
fläche weitgehend unterbunden, so daß die Ermüdungsfestigkeit
eine nachhaltige Steigerung gegenüber nicht randschichtgehärte
ten Bauteilen erfährt. Zusätzlich wirkt sich wechselfestig
keitssteigernd eine mit der Randschichthärtung verbundene
Druckvorspannung in der Oberfläche aus, die sich aus der auf
den Oberflächenbereich beschränkten Härtesteigerung durch
Wärmebehandlung ergibt.
Die gehärtete Randschicht kann nach verschiedenen Oberflä
chenverfahren erzeugt werden, die sich im Ergebnis durch un
terschiedliche Eigenschaften und Verlauf in die Tiefe der
gehärteten Randschicht unterscheiden. Bei induktiver Härtung
beschränkt sich die Erwärmung von Stählen nur auf die Rand
schicht, so daß in Folge der auf diese beschränkten Umwand
lungsvorgänge nur dort die Härtung erfolgt. Andere Wege zur
Oberflächenhärtung bestehen darin, daß durch Eindiffusion von
Fremdelementen in die Randschicht entweder deren Härtbarkeit
gesteigert wird und/oder es wird eine hohe Härte und hoher
Verschleißwiderstand durch die Bildung intermetallischer Hart
phasen erreicht. Zu diesen Verfahren gehören das Aufkohlen
(Karborieren) , das Nitrieren und das Karbonitrieren, aber auch
z.B. das Inchromieren und das Borieren.
Die durch das Randschichthärten erzeugten Schichten sind ge
kennzeichnet durch ihre Oberflächenhärte und durch die Dicke
der gehärteten Randschicht. Da die Härte von der Oberfläche in
die Tiefe je nach dem Randschichthärteverfahren mehr oder weni
ger stetig abnimmt, wird die Härtetiefe festgelegt als die Tie
fe, bei der ein Mindestwert der Härte erreicht oder unterschrit
ten wird. So gibt es z.B. eine Festlegung, nach der bei einer
Einsatzhärtung (Aufkohlung) die Tiefe der gehärteten Randschicht
(Einsatzhärtetiefe) durch den Punkt unter der Oberfläche fest
gelegt wird, bei dem die Grenzfläche von 550 HV erreicht wird
(Eht 550). Bei nitrierten Oberflächen gilt als Nitrierhärte
tiefe der Punkt unter der Oberfläche, bei dem eine Härte er
reicht wird, die sich aus der Kernhärte des Werkstoffs +50 HV
ergibt. Um nach diesen Kriterien eine Randschichthärtung zu
bestimmen, ist in jedem Fall ein Querschnitt durch die Schicht
bis in den Kernwerkstoff erforderlich. An einer solchen prä
parierten Probe (Querschliff) läßt sich dann der Härteverlauf
bestimmen. Die Messung erfordert somit eine Probepräparation,
so daß eine unmittelbare Messung der Randschichthärtetiefe
am Bauteil nicht möglich ist.
Versuch zum Einsatz von zerstörungsfreien Methoden, wie Ultra
schall, Wirbelstromprüfung und ähnliches, haben nicht zum ge
wünschten Erfolg geführt. Bei solchen störungsfreien Verfahren
müssen die zerstörungsfrei ermittelten Kenngrößen wie Schall
impedanz oder elektrische und magnetische Werte erst in Kor
relation zur Härte und dem Härteverlauf gebracht werden. Es
handelt sich bei solchen Verfahren also um eine indirekte Me
thode, die eine Korrelation zu den direkt interessierenden Meß
werten und somit zusätzliche Kriterien erfordert, die auf
die Tiefe der Einsatzhärteschicht schließen lassen. Bereits
die Korrelation der zerstörungsfrei zu ermittelnden Kenngrößen
zur Randschichttiefe ist schwierig. Eine ausreichende Auflö
sung der zerstörungsfrei ermittelten Kenngrößen in die Tiefe
und die Erarbeitung eines Kriteriums für den Tiefenverlauf
ist bis heute noch nicht realisiert.
Aufgabe der Erfindung war es, ein Verfahren der eingangs ge
nannten Art sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Ver
fahrens zu schaffen, das eine ausreichende Auflösung von zer
störungsfrei ermittelten Kenngrößen in die Tiefe ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche 1 bis 16
gelöst.
Die Erfindung geht davon aus, daß bei Einwirkung eines Bela
stungskörpers, wie Kugel, Kegel, Pyramide, Ebene oder beliebig
gekrümmte Flächen, auf die Oberfläche eines Prüflings dieser
Belastungskörper einen Gesamtweg senkrecht zur Oberfläche zu
rücklegt, der aus einer elastischen Verformung und aus einem
plastischen Eindringweg besteht. Bei unterschiedlichen Prüf
lingen ergeben sich nach dieser Methode nicht nur unterschied
liche plastische Eindringwege des Belastungskörpers - wie sie
üblicherweise zur Bestimmung der Härte herangezogen werden -
sondern auch unterschiedliche Verläufe der elastischen Ver
formung ausgehend vom Lastaufbringpunkt bis zum Abklingen der
elastischen Linie und entsprechend unterschiedliche Verhält
nisse zwischen plastischem Eindringweg und elastischer Ver
formung.
Der Gesamtweg des Belastungskörpers wird in Abhängigkeit von
der Belastung, d.h. der Kraft mit der der Belastungskörper
beaufschlagt wird, in Belastungsrichtung gemessen und gleich
zeitig wird während der Belastung mit einem geeigneten System
zur Wegmessung die elastische Verformung in der Umgebung des
Druckkörpers aufgenommen. Das Verfahren liefert bei unter
schiedlich harten bzw. unterschiedlich duktilen Werkstoffen
über die Auswertung des elastisch plastischen Verlaufs der
Oberflächenverformung einen Kennwert. Bei duktilen Werkstoffen
klingt die elastische Verformung (Radiallinie) ausgehend vom
Belastungspunkt rasch ab. Bei wenig duktilen elastischen Werk
stoffen ergibt sich eine sehr viel weitreichendere elastische
Verformung in radialer Richtung, ausgehend vom Lastaufbringungs
punkt.
Bei nicht-duktilen und wenig elastischen Werkstoffen stellt
sich eine Konfiguration ein, die praktisch dem Zustand bei Be
rührung zwischen Belastungskörper und Oberfläche, aber vor
Aufbringung der Belastung, entspricht. Bei Steigerung der Be
lastung wird hier der Werkstoff einbrechen, ohne meßbare ela
stische Linie in radialer Richtung (sprödes, unelastisches
Verhalten).
Die Erfindung wird anhand einiger schematischer Darstellungen
in den Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Skizze einer Ausführungsform einer Meßanordnung;
Fig. 2 bis 5 die Meßanordnung gemäß Fig. 1 bei der Prüfung un
terschiedlich harter Werkstoffe ohne bzw. mit unter
schiedlich dicken Randschichten;
Fig. 6 eine Skizze einer anderen Ausführungsform einer
Meßanordnung;
Fig. 7 bis 9 die Meßanordnung gemäß Fig. 6 bei der Prüfung
von Werkstoffen; und
Fig. 10 eine weitere Ausführungsform einer Meßanordnung.
Zur Durchführung der Messungen wird in der unmittelbaren Um
gebung des Belastungskörpers 2 eine Matrix von Tastern 4 zur
Wegeaufnahme angebracht (Fig. 1 bis 5). Vorteilhaft ist auch
eine Anordnung, bei der die Wegmessung über Taster, optische
oder elektrische oder magnetische Verfahren oder deren Kombi
nation unmittelbar durch den Belastungskörper 2 a hindurch er
folgt(Fig. 6 bis 9). Bei einer solchen Anordnung kann die
Messung des Verlaufs der elastischen Verformung unmittelbar
am Lastaufbringungspunkt beginnen. Als Bezugspunkt für die
Messung wird entweder die Lage der unbelasteten Oberfläche
des Prüflings 1 angenommen (Fig. 1 bis 5) oder der erste Be
rührungspunkt einer gekrümmten Belastungsfläche auf der Ober
fläche (Fig. 6 bis 9).
Gemäß Fig. 1 oder Fig. 6 wirkt auf einen Prüfling 1 bzw. 1 a
ein Belastungskörper 2 bzw. 2 a mit abgerundeter Belastungsfläche
ein. Um den Belastungskörper 2 bzw. 2 a sind Tastfühler 4 bzw. 4′
als Wegeaufnehmer angeordnet. Der Belastungskörper 2 bzw. 2 a
hat einen Durchmesser von 2,5 mm bei einem Krümmungsradius der
Druckfläche von größer als oder gleich 25 mm oder bei ebener
Druckfläche. Die Tastfühler 4 bzw. 4′ sind in einem etwa 4 mm
breiten Ring mit einem Innendurchmesser von 2,6 mm um den Be
lastungskörper 2 bzw. 2 a angeordnet. Innerhalb dieses Ringes
sind auf einer Radiallinie etwa acht bis zwölf einzelne Tast
fühler vorgesehen. Es können zusätzliche Radiallinien, z.B.
eine senkrecht dazu verlaufende Radiallinie, mit Tastfühlern
4 bzw. 4′ bestückt sein. Sie dienen dazu, die Verformung der
Oberfläche des Prüflings 1 bzw. 1 a bei Belastung F des Bela
stungskörpers 2 bzw. 2 a aufzunehmen. Jeder Tastfühler 4 bzw. 4 a
überträgt dazu auf induktivem Weg die Veränderung der Ober
fläche des Prüflings 1 bzw. 1 a zu einer Registriereinrichtung.
Die Fig. 2 bis 5 zeigen vier Meßanordnungen, wobei der Ge
samtweg der Verschiebung des Belastungskörpers 2 in allen vier
Fällen gleich groß ist.
Die Fig. 2 und Fig. 7 zeigen die Reaktion der Oberfläche eines
homogenen Prüflings 1 bzw. 1 a aus einem weichen Werkstoff. Der
Belastungskörper 2 bzw. 2 a dringt sehr weit in die Oberfläche
des Prüflings ein, d. h. der plastische Eindringweg 3 (Fig. 7)
ist groß. Von den Tastfühlern 4 bzw. 4′ wird nur eine geringe
elastische Verformung registriert.
Fig. 3 und Fig. 7 zeigen jeweils den Fall eines homogenen
Prüflings 1 bzw. 1 a aus hartem Werkstoff. Der plastische
Eindringweg ist dabei klein. Die Tastfühler 4 bzw. 4′ regi
strieren radial vom Belastungspunkt weitreichende Absenkungen
der Oberfläche, wobei die Absenkung mit steigender Entfernung
vom Belastungskörper 2 bzw. 2 a abnimmt. Die elastische Ver
formung 6 (angegeben in Fig. 4) ist somit groß.
Während die Fig. 2, 3, 6 und 7 Prüflinge homogener Zusam
mensetzung zeigen, sind in den Fig. 4 und 5 Reaktionen der
Oberfläche von Prüflingen veranschaulicht, die jeweils eine
gehärtete Randschicht 5 bzw. 5 a aufweisen. Die Randschicht 5
(Fig. 4) ist dünn, während die Randschicht 5 a (Fig. 5) dick
ist. Bei einer dünnen harten Randschicht 5 über einem weichen
Kernwerkstoff ist die Reaktion der Oberfläche ähnlich wie bei
dem in Fig. 2 gezeigten Fall eines homogenen Prüflings 1 aus
weichem Werkstoff, d. h. die Tastfühler 4 registrieren eine
relativ weitreichende elastische Zone 6.
Bei der dicken gehärteten Randschicht 5 a (Fig. 5) des Prüflings
registrieren die Tastfühler eine geringere radiale Ausdehnung
der elastischen Verformung 6.
Bei den in den Fig. 4 und 5 gezeigten Fällen wird jeweils
vorausgesetzt, daß die Randschicht 5 bzw. 5 a wesentlich
dünner ist als die Gesamtdicke des Prüflings 1.
Wie insbesondere ein Vergleich der Fig. 4 und 5 erkennen läßt,
dann aus der von den Tastfühlern 4 registrierten elastischen
Verformung 6 bei vorgegebenem Gesamtweg des Belastungskörpers
2 und bekannter E-Moduli der Randschicht 5 bzw. 5 a und des
Kernwerkstoffes die Dicke der gehärteten Randschicht 5 bzw. 5 a
ermittelt werden.
Eine weitere Ausführungsform der Meßanordnung ist in den
Fig. 6 bis 9 gezeigt, bei der Taster bzw. Tastfühler 4′ durch
den Belastungskörper 2 a hindurch wirken. Diese Taster nehmen
beim Aufsetzen des Belastungskörpers 2 a (Fig. 6) eine ebene
Ausrichtung entsprechend der Oberfläche des unbelasteten Be
lastungskörpers 2 a ein. Beim Aufbringen der Last schmiegt
sich im Falle des duktilen Prüflings 1 a die Oberfläche der
Krümmung des Belastungskörpers an, so daß die Ausrichtung der
Taster 4′ dem Verlauf der Krümmung des Belastungskörpers und
der dieser plastisch nachgeformten Oberfläche 9 des Prüflings
1 a entspricht (Fig. 7). Im Falle eines harten elastischen
Prüflings weicht der Verlauf, der durch die Belastung mit
dem Belastungskörper erzeugten Verformung 9′ des Prüflings
von der Krümmung des Belastungskörpers 2 a ab. Die Krümmung 9′′
entspricht nun dem Verlauf der elastischen bzw. elastoplasti
schen Verformung ausgehend vom Belastungspunkt. Die Abweichung
im Verlauf, der durch die Tastkörper angezeigten Krümmung der
Oberfläche von der Krümmung des Belastungskörpers gibt ein
Maß für den elastischen Anteil in der Verformung der Ober
fläche an (Fig. 8). Schließlich läßt sich nach der beschrie
benen Anordnung auch das Verhalten eines spröden Körpers er
fassen (Fig. 9). Bei Überschreiten einer kritischen Belastung
bricht die Oberfläche örtlich ein. Dieser Vorgang zeichnet
sich durch einen unstetigen Verlauf der durch die Tastkörper
angezeigten Verformung der Oberfläche, ab (Fig. 9).
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren müssen zur Bestimmung der
elastischen Verformung 6 Verschiebungen der Oberfläche des
Prüflings 1 bzw. 1 a gemessen werden, die in der Größenordnung
von einigen wenigen Mikrometer liegen. Derart kleine Formän
derungen können beispielsweise durch Tastfühler gemessen wer
den, die ähnlich wie der Nadeldruckkopf eines Nadeldruckers
aufgebaut ist. Eine Vielzahl von Nadeln ist dabei dicht neben
einander angeordnet (nicht dargestellt). Die Spitzen der Na
deln sind senkrecht zur Oberfläche des Prüflings 1 bzw. 1 a aus
gerichtet. Jede Nadel ist mit einem Magnetsystem verbunden, im
allgemeinen ein Tauchankermagnetsystem. Bei einem Nadeldruck
kopf dient das Magnetsystem zur Verschiebung der Nadeln. In
Verbindung mit der erfindungsgemäßen Anordnung wird das Magnet
system dazu verwendet, um eine Verschiebung der Nadelspitze
induktiv von einer Meßeinrichtung zu registrieren. Die Ver
schiebung der Nadelspitze wird dabei durch die elastische Ver
formung 6 der Oberfläche des Prüflings verursacht. Die Verwen
dung eines Nadeldruckkopfes zum Abtasten der Oberfläche eines
Gegenstandes ist an sich bekannt und wird daher nicht näher be
schrieben.
Eine andere Möglichkeit, die Verschiebung der Nadelspitze zu
messen, besteht darin, diese fest mit einer gebogenen Feder
oder Lasche zu verbinden, wobei durch einen Mikro-Dehnungsmeß
streifen eine Veränderung der Krümmung der Feder oder Lasche
registriert wird, die wiederum durch die Verschiebung des
Tastfühlers verursacht wird.
In gleicher Weise wie mit Tastfühlern, läßt sich der Verlauf
der Verformung der Oberfläche ausgehend vom Belastungspunkt
optisch bzw. laseroptisch erfassen. Dazu wird wiederum ein
Ring oder Balken (Fig. 1 bis 5) herangezogen. Im Falle der
Messung der Verformung der Oberfläche durch den Belastungs
körper hindurch (Fig. 6 bis 9) muß durch diesen der Strahlen
gang des optischen Systems hindurchgeführt werden. Das kann
erfolgen durch entsprechende Bohrungen oder Spalten im Be
lastungskörper. Es ist jedoch auch möglich, den Belastungs
körper z.B. als Kristall durchlässig zu machen.
Schließlich läßt sich der elastische und plastische Anteil
der Formänderung der Oberfläche dadurch erfassen, daß der Be
lastungskörper mit Drucksensoren versehen wird. Im Falle
einer plastischen Verformung der Oberfläche mit elastischer
Nachgiebigkeit wird im Bereich des plastischen Eindringens
des Belastungskörpers ein Druck auf die Oberflächensegmente
bzw. Sensoren erzeugt (Fig. 10), wobei im plastischen Bereich
Sensoren 8 unter Druck stehen. Die Begrenzung des plastischen
Bereichs und der Beginn der rein elastischen Verschiebung
wird durch drucklose Sensoren 8′ bzw. Segmente gekennzeichnet
(Fig. 10) Eine Korrelation dieser Messung mit dem Gesamtweg
des Belastungskörpers, entsprechend 7 (Fig. 4 und 5) gibt
weitere Informationen über den elastischen plastischen Anteil
bei der Verformung der Oberfläche unter Belastung durch den
Belastungskörper.
Zur Bestimmung der Randschichthärtetiefe nach dem erfindungs
gemäßen Verfahren wird die Randschicht als Platte aufgefaßt.
Die Größe und Form der elastischen Durchbiegung dieser Platte
unter einer in Dickenrichtung wirkenden Belastung hängt dann
von der Größe der Belastung, der Dicke der Randschicht und de
ren E-Modul ab. Wird nun die Belastung einer solchen Schicht
- hier als Platte gedacht - durch einen Belastungskörper vor
genommen, wird sich ein Verhältnis zwischen plastischem Ein
dringen des Prüflings in die Oberfläche und elastischer Durch
biegung der Platte (elastoplastischer Randschichtverformungs
koeffizient) einstellen. Eine hohe Härte einer solchen gedach
ten Platte bewirkt in radialer Richtung eine relativ weit rei
chende elastische Durchbiegung bei vergleichsweise geringem
plastischen Eindringweg des Prüflings (Fig. 4). Mit zunehmen
der Dicke, entsprechend zunehmendem Flächenträgheitsmoment
des Plattenquerschnitts wird bei gleicher Härte und entspre
chend gleichem plastischen Eindringen eines Belastungskörpers
die elastische Durchbiegung der Platte in radialer Richtung
weniger weit reichen (Fig. 5). Wird eine Platte mit geringerer
Härte aber annähernd gleichem E-Modul angenommen, so nimmt
der plastische Eindringweg gegenüber der elastischen Durch
biegung zu.
Damit das der Erfindung im Falle der Randschichthärteprüfung
zugrungeliegende Modell den realen Verhältnissen eines Prüf
lings, beispielsweise eines Maschinenbauteils, möglichst nahe
kommt, wird ferner angenommen, daß die Platte auf einem wei
cheren Untergrund liegt, wie dies bei einer gehärteten Rand
schicht über einem duktilen Kernwerkstoff der Fall ist. Die
elastische Durchbiegung der Platte ist also zusätzlich von den
mechanischen Kennwerten des Untergrunds, d.h. dem Kernwerk
stoff abhängig. Die Durchbiegung der Platte auf weicher Bet
tung als betrachtetes Modell entspricht der elastischen Ver
formung der Oberfläche des Prüflings.
Der E-Modul für gehärtete Randschichten liegt bei 220 000 N/mm2.
Für Vergütungsstähle liegt der E-Modul im Bereich von 210 000
N/mm2. Die Elastizitätsgrenze für gehärtete Randschichten liegt
aber um ein Vielfaches höher als diejenige des Kernwerkstoffs.
Für die Messung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es
somit erforderlich, die entsprechenden Werte für die Randschicht
und den Kernwerkstoff zu kennen, insbesondere den E-Modul und
die Elastizitätsgrenze des Kernwerkstoffs. Aufgrund des Betra
ges und der Form der Durchbiegung der Platte - Verformung der
Oberfläche des Prüflings - läßt sich die Abhängigkeit von der
Kraft und in Abhängigkeit des über die Oberflächenhärte zuge
ordneten Eindringweges eines Belastungskörpers die Plattendicke
bestimmen, die der gesuchten Randschichthärtetiefe entspricht.
Die Berechnung erfolgt nach den Gesetzen der auf einer nach
giebigen Bettung aufliegenden Platte. Es kann dabei der rein
elastische Fall, bei dem in die Berechnung lediglich die unter
schiedlichen E-Moduli von Randschicht und Kernwerkstoff einge
hen, und der Fall unterschieden werden, bei dem sich die höher
feste Randschicht noch elastisch verformt, der Untergrund je
doch bereits die Elastizitätsgrenze überschreitet. In Anwendung
auf diese Fälle wird vorzugsweise der Belastungskörper mit kon
stantem Gesamtweg gesteuert. Je nach Oberflächenhärte und
Schichtdicke ist der plastische oder der elastische Anteil am
Gesamtweg überwiegend.
Für die praktische Anwendung des Meßverfahrens zur Qualitäts
überwachung und zur Kontrolle der Randschichthärtetiefe läßt
sich der Verlauf der elastischen Verformung der Randschicht
in Abhängigkeit von der Kraft und dem Eindringweg eines Bela
stungskörpers in die Oberfläche des Prüflings durch Kalibrier
messung für vergleichsweise hohe elastische Verformung der
Randschicht angestrebt mit nur kleinem Eindringweg eines Be
lastungskörpers, bietet es sich an, die Kraft über eine ebene
oder nur leicht gekrümmte Fläche einzuleiten. Dabei ist es mög
lich, elastische Formänderungen der Randschicht zu erreichen,
die bereits die Elastizitätsgrenze des Untergrund überschreiten.
Die Meßergebnisse - plastischer Eindringweg und elastische Ver
formung - können durch einen angeschlossenen Rechner unmittelbar
in die Dicke der Randschicht umgerechnet werden. Zur Vereinfa
chung der Messung und Berechnung bietet es sich an, alle Mes
sungen bei konstantem Gesamtweg durchzuführen. Insbesondere bei
Verwendung von Belastungskörpern mit nur schwacher Krümmung oder
mit ebenen Belastungsflächen kann die Laststeigerung dann abge
brochen werden, wenn erste Mikrorisse in der Randschicht ent
stehen. Dies läßt sich erreichen, wenn zwischen Prüfling und
Belastungskörper ein Kopplungsmedium aufgebracht wird und ent
weder am Belastungskörper oder am Prüfling die Schallemission
während der Belastung aufgenommen wird. Als Belastungsgrenze
wird dann das Auftreten erster Burstsignale festgelegt. Ver
suche mit verschiedenen Einsatzhärtetiefen lassen erkennen,
wie die elastischen Verformungen der Randschicht von der Rand
schichthärtetiefe abhängig sind.
Claims (18)
1. Verfahren zur Erfassung, Aufnahme und Messung der bei Einwir
kung einer Last auftretenden elastischen und elastoplasti
schen Verformung einer Oberfläche eines Prüflings (1), ins
besondere auch zur Messung der Randschichthärtetiefe eines
Prüflings,
dadurch gekennzeichnet, daß man
den Verlauf der Verformung ausgehend vom Lastaufbringungs
punkt eines Belastungskörpers (2) in radialer Richtung bis
zum Abklingen der elastischen Biegelinie an der Oberfläche
durch ein Abtastsystem erfaßt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man
mit dem Belastungskörper (2) ein Bezugssystem verbindet, auf
das man den vom Lasteinleitungspunkt ausgehenden Verlauf der
elastischen Verformung der Oberfläche bezieht.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß man
das Bezugssystem für die Abtastung außerhalb der elastischen
Oberflächenbeeinflussung des Belastungskörpers (2) abstützt,
derart, daß es nicht in die Verformung einbezogen wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß man
das Bezugssystem durch Aufnahme und Fixierung der Ausrichtung
der Oberfläche bei der ersten Berührung, jedoch noch vor Ein
wirkung der Belastung des Belastungskörpers (2) schafft.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man
das Abtastsystem bzw. dessen Abtastorgane zur Erfassung der
Verformung der Oberfläche durch den Belastungskörper (2)
hindurchführt und in Abhängigkeit von der Belastung die Art
der Anschmiegung der Oberfläche an eine gekrümmte Druckfläche
des Belastungskörpers (2) erfaßt.
6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, daß man die Form und den Verlauf der
elastischen Oberflächenverformung ausgehend von einem Bela
stungspunkt durch ein Abtastsystem mit hoher Abstandsauflö
sung erfaßt.
7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, daß man als Belastungskörper eine
Kugelkalotte, einen Kegel, eine Pyramide oder einen Körper
mit beliebig gekrümmter Fläche verwendet und die gemessene
elastische Verformung in das Verhältnis zum plastischen Ein
dringweg setzt.
8. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, daß man einen Belastungskörper (2)
mit einer nur schwach gekrümmten oder ebenen Druckfläche ver
wendet, um bei möglichst kleinem plastischen Eindringweg eine
hohe elastische Verformung zu erzielen.
9. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, daß man den Gesamtweg des Belastungs
körpers (2) in Abhängigkeit von der Belastung aufnimmt und in
Korrelation zum Eindringweg des Belastungskörpers in die Ober
fläche des Prüflings setzt, um den plastischen und elastischen
Anteil zu trennen.
10. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, daß man den Prüfling (1) oder den Be
lastungskörper (2) mit einem Schallaufnehmer koppelt.
11. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10,
dadurch gekennzeichnet, daß man aus dem Verlauf der elasti
schen Verformung der Randschicht des Prüflings und dem zuge
ordneten Eindringweg des Belastungskörpers anhand von Kali
briermessungen unmittelbar auf die Randschichthärtetiefe
schließt.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß man
die Kalibriermessung und die Messung am Prüfling bei einem
gleichen konstanten Gesamtweg in Richtung der Belastung
durchführt.
13. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprü
chen 1 bis 12, mit einem die Oberfläche des Prüflings bela
stenden, verschiebbaren Belastungskörper sowie einer Meßan
ordnung zur Aufnahme und Erfassung des Eindringweges des Be
lastungskörpers bzw. des Verlaufs der Oberflächenverformung
des Prüflings, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinrich
tung eine Vielzahl von Wegeaufnehmern (4; 4′; 8) aufweist,
die radial um den Belastungskörper (2; 2 a; 2 b), bzw. um
dessen Belastungspunkt an der Oberfläche des Prüflings (1; 1 a)
angreifen.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die
Meßanordnung zur Aufnahme des Verlaufs der Oberflächenverfor
mung radial ausgehend vom Belastungspunkt ein Nadeldruckwerk
mit einzelnen Nadeln ist und die Wegmessung der einzelnen Na
deln induktiv oder mit den Nadeln verbundenen Dehnungsmeß
streifen erfolgt.
15. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die
Meßanordnung zur Aufnahme des Verlaufs der Oberflächenverfor
mung zur optischen bzw. laseroptischen Erfassung ausgelegt ist.
16. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 13 bis 15,
dadurch gekennzeichnet, daß die Wegeaufnehmer der Meßanordnung
durch Bohrungen oder Spalten im Belastungskörper (2 a) oder
durch einen Lichtstrahlen durchlässigen Belastungskörper (2 a)
hindurchführbar sind.
17. Vorrichtung nach den Ansprüchen 13, 14, 15 oder 16, dadurch
gekennzeichnet, daß die Wegeaufnehmer (4) der Meßanordnung zur
Aufnahme des Verlaufs der Oberflächenverformung des Prüflings
(1) axial zu dessen Oberfläche bewegbar und in Arbeitsstellung
in Lage arretierbar sind.
18. Vorrichtung nach Anspruch 13, insbesondere zur Messung der
elastoplastischen Oberflächenverformung der Randschichthärte
tiefe eines Prüflings, dadurch gekennzeichnet, daß dem Bela
stungskörper (2 b) Drucksensoren (8) zugeordnet sind, die Be
reiche der Oberfläche anzeigen, welche bei Belastung mit dem
Belastungskörper infolge der elastischen/plastischen Nach
giebigkeit der Oberfläche mit der gekrümmten Oberfläche des
Belastungskörpers in Berührung kommen und auf diesen Druck
ausüben.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19893918195 DE3918195A1 (de) | 1988-06-08 | 1989-06-03 | Verfahren und vorrichtung zur erfassung, aufnahme und messung der bei einwirkung einer last auftretenden elastischen und elastoplastischen verformung einer oberflaeche eines prueflings |
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE3819545 | 1988-06-08 | ||
DE19893918195 DE3918195A1 (de) | 1988-06-08 | 1989-06-03 | Verfahren und vorrichtung zur erfassung, aufnahme und messung der bei einwirkung einer last auftretenden elastischen und elastoplastischen verformung einer oberflaeche eines prueflings |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE3918195A1 true DE3918195A1 (de) | 1989-12-21 |
Family
ID=25868939
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19893918195 Withdrawn DE3918195A1 (de) | 1988-06-08 | 1989-06-03 | Verfahren und vorrichtung zur erfassung, aufnahme und messung der bei einwirkung einer last auftretenden elastischen und elastoplastischen verformung einer oberflaeche eines prueflings |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE3918195A1 (de) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CH679889A5 (de) * | 1990-03-12 | 1992-04-30 | Textest Ag | |
EP2642275A1 (de) | 2012-03-22 | 2013-09-25 | Gerflor | Messvorrichtung des Komfort-Indexes von Böden in Sporthallen nach dem Wirken einer Kraft auf den Boden |
EP3019844A4 (de) * | 2013-07-12 | 2016-08-03 | Hill Rom Services Inc | Vorrichtungen und verfahren zur bestimmung von leistungsparametern einer flexiblen oberfläche |
-
1989
- 1989-06-03 DE DE19893918195 patent/DE3918195A1/de not_active Withdrawn
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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CH679889A5 (de) * | 1990-03-12 | 1992-04-30 | Textest Ag | |
EP2642275A1 (de) | 2012-03-22 | 2013-09-25 | Gerflor | Messvorrichtung des Komfort-Indexes von Böden in Sporthallen nach dem Wirken einer Kraft auf den Boden |
FR2988472A1 (fr) * | 2012-03-22 | 2013-09-27 | Gerflor | Dispositif de mesure de l'indice de confort des sols sportifs interieurs apres impact d'une force sur le sol |
EP3019844A4 (de) * | 2013-07-12 | 2016-08-03 | Hill Rom Services Inc | Vorrichtungen und verfahren zur bestimmung von leistungsparametern einer flexiblen oberfläche |
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