DE3926676A1

DE3926676A1 - Haertepruefgeraet

Info

Publication number: DE3926676A1
Application number: DE3926676A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Dipl Phys Dr Schmirler
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1988-08-17
Filing date: 1989-08-09
Publication date: 1990-02-22
Anticipated expiration: 2009-08-10
Also published as: DE3926676C2

Description

Definitionen

Im folgenden werden die Begriffe "Probekörper" und "Referenz körper" in der Weise verwendet, daß "Probekörper" den zu unter suchenden Gegenstand kennzeichnen, während "Referenzkörper" einen Gegenstand meint, der zur Prüfung des "Probekörpers" mit diesem in Kontakt gebracht wird.

Mit Hilfe des beschriebenen Verfahrens können beispielsweise Abriebfestigkeit oder Härte oder eine andere, die Festigkeit eines Stoffes beschreibende physikalisch technische Größe mehr oder weniger genau und mehr oder weniger direkt oder indirekt bestimmt werden.

Die Verhältnisse beim Meßvorgang und bei der Auswertung des Meßergebnisses werden durch die beiden Abbildungen Fig. 1 und Fig. 2 dargelegt.

Stand der Technik

Bisher wurden, zum Beispiel zur Beurteilung von Härte oder Abriebfestigkeit von Oberflächen, typischerweise die beiden fol genden, hier abstrakt formulierten Schritte durchgeführt:

1. Mit Hilfe eines Referenzkörpers bekannter Festigkeit wird die zu prüfende Oberfläche in definierter Weise belastet.
2. Dann wird mit Hilfe von mehr oder weniger genauen Längen meßeinrichtungen eine Vermessung der geometrischen Ober flächenveränderung vorgenommen, die infolge der Belastung eingetreten ist.

Das Ausmessen von geometrischen Veränderungen, die infolge defi nierter Belastung bei vorgeschriebenen Geometrien aufgetreten sind, wird beispielsweise zur Bestimmung der Härte (VICKERS-, BRINELL- oder ROCKWELL-HÄRTE) angewendet.

In vielen Fällen, beispielsweise im Fall der Härteprüfung bei vielen Metallen, gibt es dabei kaum meßtechnische Schwierigkei ten, sofern glatte Oberflächen vorliegen und definierte entspre chend harte Referenzkörper, wie z. B. Diamantkristalle, Verwendung finden.

Im Fall sehr harter Substanzen mit unregelmäßig geformten Ober flächen, z. B. bei bestimmten Keramiken, treten jedoch Probleme auf. Sowohl das Anbringen einer definierten oberflächlichen Verformung durch einen geeigneten Referenzkörper als auch die quantitative Erfassung einer eingetretenen Verformung bereiten Schwierigkeiten. Zur Bestimmung der Abriebfestigkeit werden zum Beispiel zeit- und materialaufwendige Schleifverfahren (z. B. DIN 52 108 eingesetzt.

Vorgeschlagenes neues Verfahren

Demgegenüber hat das hier vorgeschlagene und bereits realisierte Verfahren zum einen den Vorteil, daß eine Messung in Sekunden schnelle durchgeführt werden kann.

Es basiert darauf, daß anstelle eines eventuell stark fehlerbe hafteten Längenmaßes eine zwei- oder mehrdimensionale Kraftver laufskurve zur Bestimmung der Stabilität oder Festigkeit oder Härte usw. herangezogen werden soll. Deren, unter Umständen komplexe, Auswertung kann zu einer vielfältigen Beurteilung der Stabilität, bzw. der Oberflächengeometrie des Probekörpers ge nutzt werden.

Mehrdimensional bedeutet hier:

Falls erforderlich, können Kräfte in verschiedenen Richtungen (z. B. parallel oder senkrecht zur Oberfläche) und als Funk tion der Zeit gemessen werden. Dadurch entstehen mehrdimen sionale Kraftverlaufskurven. Zusätzlich kann die Eindring tiefe des Referenzkörpers in den Probekörper gemessen und als weitere Kenngröße bei der Beurteilung der Härte bzw. des Verschleißes des Probekörpers dienen.

Fig. 1 zeigt eine mögliche geometrische Ausführung der Mechanik und eine entsprechende Anordnung von Probe- (1) und Referenzkör per (2). Hier ist der Probekörper z. B. ein kugelförmiger Kera mikschleifkörper, der am Ende eines zylindrischen Stiftes fixiert ist. Dieser kann, in einem Halter (5) eingespannt, in einer Ebene parallel zur Zeichnungsebene motorisch um die Achse (6) gedreht werden, so daß der Schleifkörper sich auf einer Kreisbahn (4) in Richtung des Referenzkörpers bewegt. Auf diesem Weg kann die jeweilige Winkelposition des Probekörpers sehr präzise gemessen werden.

In der Darstellung (Fig. 1) soll der Referenzkörper (2) eine mit Diamantstaub besetzte Fläche mit sehr hoher Abriebfestigkeit sein, die mit einer Wägezelle (3) mechanisch so verbunden ist, daß die am Referenzkörper parallel zur Oberfläche in Richtung zur Wägezelle wirkende Kraft gemessen werden kann.

Alternativ ist eine Ausführung vorgesehen, bei der sich anstelle des Probekörpers (1) der Referenzkörper in Form einer Diamant spitze (beispielsweise Vickers- oder Rockwell-Diamant) in der drehbaren Halterung befindet. Dieser kann in ritzender Weise über die Oberfläche des nun anstelle von Fig. 1, 2 befindlichen Probekörpers bewegt werden. Damit kann eine Aussage über die Struktur eines bezüglich der Härte inhomogenen Körpers auf folgende Weise gewonnen werden:

Untersucht man z. B. eine Schleifkeramik als Probekörper, so können die auftretenden Sprünge in der Kraft-Winkel-Kurve der Festigkeit der Bindung einzelner Schleifkörper zugeordnet wer den. Damit wird eine Aussage über eine, in der Fachliteratur speziell für Schleifkörper geforderte und definierte Härte möglich.

Um zusätzliche Informationen über den Abrieb und die Verschleiß festigkeit eines Probekörpers gewinnen zu können ist eine Messung der Eindringtiefe des Referenzkörpers in den Probekörper während der wiederholten Belastung vorgesehen. Dazu wird der gesamte Kraftaufnehmer inklusive Probekörper in radialer Richtung rela tiv zur Drehbewegung des Halters mit einer definierten Kraft-Weg- Relation in Position gehalten. Beispielsweise kann der Kraftauf nehmer federnd gelagert (lineares Kraft-Weg-Verhältnis) oder auch mit Hilfe einer aufwendigen Steuerung (zusätzliche Mechanik und Elektronik) mit einem beliebigen definierten Kraft-Weg-Verhältnis an seiner Position gehalten werden.

Infolge dieser, beispielsweise elastischen Kraft ist nun der Kraftaufnehmer in der Lage, bei Belastung in definierter Weise auszuweichen. Die Bewegung in dieser Richtung kann mit Hilfe eines elektronischen Meßschiebers durch den Rechner überwacht und aufgezeichnet werden. Damit kann die Eindringtiefe des Referenz körpers in den Probenkörper zu jedem Zeitpunkt der Belastung gemessen und für die Beurteilung der (Verschleiß-) Festigkeit herangezogen werden.

Beispiel für einen Meßvorgang

Zu Beginn einer Messung wird der Probekörper auf den Referenzkör per zu bewegt. Vor und nach dem Kontakt zwischen beiden wird eine Kraftverlaufskurve gemessen, die schematisch in Fig. 2, 7 darge stellt ist. Durch Wechselwirkung zwischen den Oberflächen während des Kontaktes sind Veränderungen derselben möglich.

An einer geeignet gewählten Position (abhängig vom gerade er reichten Kraft- oder Positionswert) wird die Drehrichtung des Motors umgeschaltet bis der mechanische Kontakt und damit die Kraftwirkung unterbrochen werden. Die erneute Annäherung von Referenz- und Probekörper zeigt einen Kraftverlauf (8) dessen Form durch die vorher erfolgte Wechselwirkung der Oberflächen verändert sein kann. Durch wiederholte Anwendung dieses Vorganges können mehrere solcher Kurven (9) gemessen werden. Aus den Veränderungen, die sich im Verlauf der Kraft als Funktion des Ortes (x) zeigen, kann auf Veränderungen an der Probenoberfläche geschlossen werden.

Beispielsweise deutet die meßbare Verschiebung (dx) (Fig. 2) zwischen Kurve (7) und Kurve (8) an, daß die der Kurve (8) vorausgegan gene Krafteinwirkung zu einer entsprechenden Abnutzung im Kon taktbereich der Oberflächen der beiden Körper geführt hat.

Beispiele für Anwendungen der Modifikationen des Verfahrens

Damit ist das Verfahren geeignet, beispielsweise die Festigkeit einer Probe gegenüber reibender, kratzender Belastung zu beurtei len.

Außerdem kann mit einem solchen Verfahren die Wegmessung zur Bestimmung der Eindringtiefe bei herkömmlichen Härteprüfverfahren verbessert werden. Beispielsweise wird beim ROCKWELL-Härteprüfver fahren die Eindringtiefe eines kegelförmig geschliffenen Diaman ten im Probekörper unter definierter Last bestimmt. Wenn man, wie oben beschrieben, den Verlauf der Kraft während des Eindringens des Diamantkegels erfassen würde, könnte man die Analyse des Verlaufs auf die Oberflächen- und Volumeneffekte beim Eindring vorgang schließen. Damit könnte der Einfluß von Oberflächenbe schichtungen festgestellt und eliminiert, oder elastische und inelastische Komponenten der Verformung separiert und andere zusätzliche Informationen gewonnen werden.

Zur Messung eignen sich besonders computergesteuerte Prüfgeräte, die mit speziellen Auswerteprogrammen ausgestattet werden, die eine ON-LINE-Analyse des Kraftverlaufs mit anschließender Anzeige bestimmter Kennwerte erlauben.

Probe- und Referenzkörper der Fig. 1 können beliebig vertauscht werden und beliebige andere geometrische Formen besitzen. Bei spielsweise kann der Referenzkörper Stiftform, vielleicht mit Diamantspitze, besitzen und in den Probenhalter gespannt werden. Dementsprechend wird dann die Probe an der Wägezelle befestigt. Das Verfahren stellt dann eine neuartige Ritz-Härte-Prüfmethode dar, die in relativ einfacher Weise automatisiert und standardi siert werden kann.

Die Relativbewegung von Probe- und Referenzkörper kann, abhängig von der Prüfgeometrie, sowohl einen schleifenden Kontakt bewir ken, als auch, ähnlich wie bei herkömmlichen Härteprüfverfahren, senkrecht zur Probenoberfläche verlaufen. Dabei kann die Bahn kurve, auf welcher sich die beiden Körper aufeinander zu bewegen und sich im Kontakt befinden sowohl zirkulare Form besitzen, wie in dem oben zur Verdeutlichung gewählten Beispiel, als auch linear verlaufen. Darüber hinaus kann jede andere Form im Raum gewählt werden. Damit können auch beliebige Winkel für das erste "In-Kontakt-treten" der Körper gewählt werden.

Material und Form des Referenzkörpers sind nach Bedarf zu wählen, d. h. es kommen sowohl sehr harte Materialien (z. B. Diamant) als auch solche mit relativ zum Probekörper definiert gewählter Härte und Struktur (Porösität etc.) und definiertem Verschleißverhalten in Frage. Auf diese Weise können nahezu beliebig geformte Oberflächen eines weiten Spektrums von Probematerialien und -formen mit Hilfe des hier erläuterten Verfahrens geprüft werden.

Zeichnungen

Fig. 1 Beispiel eines typischen Meßaufbaus mit Probe- und Referenzkörper,

Fig. 2 Darstellung von 3 typischen Kraftverlaufskurven vor und nach erfolgter Veränderung der Oberfläche.

Claims

1. Verfahren zur Bestimmung der Länge eines Weges, dadurch gekennzeichnet, daß das Ende des Weges in geeigneter Weise aus der Orts- oder Zeitabhängigkeit der Kraft (Kraftverlaufs kurve) bestimmt wird, die zur Annäherung eines Referenzkör pers an einen Probekörper benötigt wird. Zu diesem Zweck ist die notwendige Kraft in geeigneter Weise zu messen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die auf die beschriebene Weise gemessenen Wege und Kraftverlaufs kurven, insbesondere auch die Strukturen der Kurven, zur Bestimmung von geometrischen Veränderungen allgemeiner Art an den zu prüfenden Oberflächen ausgewertet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die, durch die Einwirkung der Prüfkraft an der/den Ober fläche/n von Probe- und/oder Referenzkörper, aufgetretenen und mit Hilfe der Kraftverlaufskurven bewerteten Veränderun gen zur Beurteilung der Stabilität, bzw. der Beständigkeit im weiteren Sinne von Materialien oder Körpern bzw. deren Oberflächen, Verwendung finden.

4. Verfahren nach Anspruch 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die nach wiederholter Anwendung des Vorganges zur Messung des Kraftverlaufes und die dadurch mehrfach in Folge auftretenden Kräfte und gemessenen Kraftverläufe in ihrer zeitlichen und räumlichen Entwicklung zur Beurteilung der Stabilität von Körpern und deren Oberflächen herangezogen werden.

5. Verfahren nach Anspruch 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß die beschriebenen Methoden zur Bestimmung der Abriebfestig keit oder Abnutzbarkeit von Körpern dienen.

6. Verfahren nach Anspruch 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß die beschriebenen Methoden zur Bestimmung der Härte von Körpern dienen.

7. Verfahren nach Anspruch 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß der Probekörper auf einer Kreisbahn (zirkular) bewegt wird und mit dem Referenzkörper mehr oder weniger schleifend in Berührung kommt.

8. Verfahren nach Anspruch 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß der Probekörper linear bewegt wird und mit dem Referenzkörper mehr oder weniger schleifend in Berührung kommt.

9. Verfahren nach Anspruch 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß der Referenzkörper in Form einer Diamantspitze ausgeführt ist und in ritzender Weise in die Oberfläche des Probekörpers eindringt.

10. Verfahren nach Anspruch 1-9, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zu den Größen: Winkel und Kraft noch ein Maß für die Eindringtiefe bzw. die Abnutzung von Referenz und Probe körper erfaßt und zur Aussage über Härte und Verschleißfe stigkeit des Probekörpers herangezogen wird.