DE102011115519A1 - Method for testing material, particularly for hardness testing, involves producing impression in to be tested material in experimental manner with test body with known geometry and with known test load - Google Patents
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- G01N2203/0282—Two dimensional, e.g. tapes, webs, sheets, strips, disks or membranes
Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Werkstoffprüfung.The invention relates to a method for material testing.
Verfahren der eingangs genannten Art sind bekannt, wobei insbesondere Härteprüfungen und Harteprüfverfahren auf eine lange Tradition in der Werkstoffprüfung zurückblicken. Mittels Härteprüfung können schnell und zuverlässig Aussagen zu lokalen mechanischen Eigenschaften gemacht werden. Die Härte beschreibt dabei makroskopisch den Widerstand gegen Eindringen in den Werkstoff und bietet einen Anhaltspunkt für die makroskopische Festigkeit des Materials. Neuere weiterentwickelte Verfahren zur Härteprüfung, wie die Nanoindentierung und instrumentierte Mikrohärteprüfung, erlauben eine geregelte Lastaufbringung, wobei die Verschiebung der Spitze des Prüfwerkzeuges als Funktion der Kraft gemessen wird.Methods of the type mentioned are known, in particular, hardness tests and Harteprüfverfahren look back on a long tradition in materials testing. By means of hardness testing, statements can be made quickly and reliably about local mechanical properties. The hardness macroscopically describes the resistance to penetration into the material and provides a clue for the macroscopic strength of the material. More recent advanced methods of hardness testing, such as nanoindentation and instrumented microhardness testing, allow for controlled load application, measuring the displacement of the tip of the test tool as a function of force.
Als Ergebnis eines Indentierungsexperiments ergibt sich eine Krafteindringkurve, aus deren Auswertung die Kontaktfläche zwischen Spitze und Probe bestimmt wird, so dass noch Eindrücke mit Eindringtiefen im Nanometerbereich ausgewertet werden können.The result of an indentation experiment is a force indentation curve, from the evaluation of which the contact surface between tip and sample is determined, so that impressions with penetration depths in the nanometer range can be evaluated.
Die Nanoindentierung dient als weit verbreitetes Verfahren zur Bestimmung der Mikrohärte sowie der lokalen Elastizität der Probe und erlaubt auch Messungen mit komplexeren Kraftprofilen sowie mit unterschiedlichen Spitzengeometrien, so dass neben Mikrohärte und Elastizität auch Aussagen zum Verfestigungsverhalten und zur Steckgrenze getroffen werden können.Nanoindentation serves as a widely used method for determining the microhardness and the local elasticity of the sample and also allows measurements with more complex force profiles and with different tip geometries, so that not only microhardness and elasticity but also statements on the hardening behavior and the plugging limit can be made.
Verfahren zur Werkstoffprüfung in Form der Nanoindentierung haben folglich eine umfangreiche Behandlung in der Patentliteratur erfahren.Consequently, methods of material testing in the form of nanoindentation have undergone extensive treatment in the patent literature.
Die
Mittels einer Folge von Krafteindringkurven im Rahmen der Nanoindentation wird in der
Auf Grundlage von verschiedenen Indentergeometrien werden in der
Wissenschaftliche Arbeiten und neuere grundlegende Untersuchungen zeigen jedoch wesentliche Nachteile bei der Bestimmung von Materialeigenschaften auf Grundlage von im Rahmen von Indentierungsexperimenten gewonnenen Krafteindringkurven. Beispielhaft wird auf die wissenschaftliche Veröffentlichung ”
Insbesondere ist eine genaue und eindeutige Bestimmung von mechanischen Eigenschaften, wie beispielsweise Zugfestigkeit und Verfestigung, nicht möglich. Auch konnte gezeigt werden, dass bestimmte Materialparameterkombinationen je nach verwendetem Intender eine Undeutlichkeit aufweisen. Hierbei kommt es bei bestimmten Materialparameterkombinationen zu sogenannten mystischen Werkstoffen mit äquivalenten Materialparameterkombinationen.In particular, an accurate and unambiguous determination of mechanical properties, such as tensile strength and solidification, is not possible. It has also been shown that certain combinations of material parameters have an indistinctness depending on the Intender used. For certain material parameter combinations, this leads to so-called mystical materials with equivalent material parameter combinations.
Ein weiterer Nachteil bei der Bestimmung der Materialparameter auf Basis von Krafteindringkurven ist die inhärente Messunsicherheit. Wissenschaftliche Untersuchungen zeigen, dass schon Messundeutlichkeiten von 1 bis 2% zu größeren Abweichungen der Materialparameter führen (vgl.
Es ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren der eingangs genannten Art weiterzuentwickeln, welches eine eindeutige Bestimmung von Materialparametern gewährleistet.It is therefore an object of the present invention to develop a method of the type mentioned, which ensures a clear determination of material parameters.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.This object is achieved with the features of
Nach Maßgabe der Erfindung ist ein Verfahren mit folgenden Schritten vorgesehen:
- a) experimentelle Erzeugung eines Eindrucks in einem zu prüfenden Material mit einem Prüfkörper mit bekannter Geometrie und mit einer bekannten Prüfkraft;
- b) Erfassung der Geometrie des experimentell erzeugten Eindrucks;
- c) Simulation der Geometrie des Eindrucks;
- d) Vergleich des simulierten und des experimentell erzeugten Eindrucks.
- a) experimental production of an impression in a material to be tested with a test specimen of known geometry and with a known test load;
- b) acquisition of the geometry of the experimentally generated impression;
- c) simulation of the geometry of the impression;
- d) Comparison of the simulated and the experimentally generated impression.
Grundlegende Idee der Erfindung ist es, die experimentell ermittelte Geometrie des Eindrucks mit der simulierten Geometrie des Eindrucks in Übereinstimmung zu bringen. Kann eine Übereinstimmung zwischen Experiment und Simulation erreicht werden und ist diese Übereinstimmung eindeutig, sind die über den experimentellen Eindruck herleitbaren und die in die Simulation eingeflossenen Materialparameter, vorzugsweise die Streckgrenze, eindeutig bestimmt. The basic idea of the invention is to match the experimentally determined geometry of the impression with the simulated geometry of the impression. If a match between experiment and simulation can be achieved and if this match is unambiguous, the material parameters derivable via the experimental impression and the simulation parameters, preferably the yield strength, are uniquely determined.
Hierzu wird zunächst ein Prüfkörper gegen das zu prüfende Material (Werkstoff) bewegt, so dass der Prüfkörper in das Material eindringen kann. Die dabei entstehende Tiefe in dem Material sollte ausreichend sein, damit ein messbarer Eindruck nach Herausfahren des Prüfkörpers aus dem Material verbleibt. Die Erfassung der Geometrie des Eindrucks und somit vorzugsweise auch des Höhenprofils des Eindrucks erfolgt vorzugsweise durch taktile und/oder optische Abtastung des Höhenprofils. Zur Abtastung wird vorzugsweise ein Indentierungswerkzeug verwendet. Für den Fall eines sphärischen Prüfkörpers ist das Höhenprofil radialsymmetrisch und kann infolgedessen entlang einer beliebigen radialen Richtung erfasst werden.For this purpose, a test piece is first moved against the material to be tested (material) so that the test piece can penetrate into the material. The resulting depth in the material should be sufficient so that a measurable impression remains after moving the specimen out of the material. The detection of the geometry of the impression and thus preferably also the height profile of the impression is preferably carried out by tactile and / or optical scanning of the height profile. For scanning, an indentation tool is preferably used. In the case of a spherical test specimen, the height profile is radially symmetric and, as a result, can be detected along any radial direction.
Alternativ kann als optische Vorrichtung zur Abtastung des Höhenprofils ein konfokales Mikroskop oder ein chromatischer Weißlichtsensor dienen.Alternatively, a confocal microscope or a chromatic white light sensor can serve as an optical device for scanning the height profile.
Die eindeutige Ermittlung der Materialparameter erfolgt durch eine Simulation, und zwar derart, dass im Rahmen eines Computerprogrammes mit einem Optimierungsalgorithmus nummerische Simulationen des Eindringens des Prüfkörpers in den Probekörper und der Ausbildung des Eindrucks in dem Probekörper durchgeführt werden. Die Materialparameter werden durch einen Vergleich von Simulationsergebnisses des Aufwurfprofils mithilfe eines Optimierungsalgorithmus sukzessive auf eine minimale Abweichung zu den experimentellen Daten reduziert. Die zu minimierende Größe ist beispielsweise die Summe der Fehlerquadrate. Durch die Reduktion des Gesamtfehlers werden die Materialparameter der Simulation so weit verändert, dass der Fehler zwischen Beobachtung und Simulation vernachlässigbar ist.The unambiguous determination of the material parameters is carried out by a simulation in such a way that numerical simulations of the penetration of the test specimen into the specimen and the formation of the indentation in the test specimen are carried out within the framework of a computer program with an optimization algorithm. The material parameters are successively reduced to a minimum deviation from the experimental data by a comparison of the simulation result of the throw-up profile with the help of an optimization algorithm. The size to be minimized is, for example, the sum of the error squares. By reducing the overall error, the material parameters of the simulation are changed so far that the error between observation and simulation is negligible.
Es ist von Vorteil, dass eine Krafteindringkurve ermittelt wird. Wird eine Zielfunktion in der Simulation, d. h. eine Funktion, die lediglich Fehler des Eindrucks berücksichtigt, im Rahmen der Simulation verwendet, dient die Krafteindringkurve der zusätzlichen Gewichtung in der Zielfunktion.It is advantageous that a force penetration curve is determined. If an objective function in the simulation, i. H. a function that only considers errors of the impression used in the simulation, the force-penetration curve serves the additional weighting in the objective function.
Die Erfindung wird anschließend anhand von Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen in schematischer Darstellung:The invention will be explained in more detail with reference to drawings. This show in a schematic representation:
In
Der Prüfkörper
Der Eindruck
Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens werden numerische Simulationen des Eindringens eines Prüfkörpers
Die Materialparameter werden über einen Vergleich von Simulationsergebnissen des
- 1. Aufwurfprofils (Höhenwerte als Funktion des Abstands zum Zentrum der Indentierung) und
- 2. einem gewichteten Anteil der Krafteindringkurve (gemessener Verlauf der Kraft auf
den Prüfkörper 3 als Funktion der Eindringtiefe während der Indentierung)
- 1. Aufwurfprofils (height values as a function of the distance to the center of the indentation) and
- 2. a weighted proportion of the force-penetration curve (measured course of the force on the
test specimen 3 as a function of the penetration depth during the indentation)
Als Folge stimmt die Simulation in den wesentlichen genannten Punkten mit dem Experiment überein. Kann eine nahezu vollständige Übereinstimmung zwischen Simulation und Experiment erreicht werden und ist diese Übereinstimmung eindeutig , sind die Materialparameter eindeutig bestimmt, d. h stimmen ein Simulationsergebnis eines Eindrucks
Wie aus
Die vorliegende Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf das vorstehend angegebene Ausführungsbeispiel. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei anders gearteten Ausführungen Gebrauch machen. Beispielsweise können unterschiedliche Optimierungsalgorithmen und auch unterschiedliche Indentergeometrien Verwendung finden.The present invention is not limited in its execution to the embodiment given above. Rather, a number of variants is conceivable, which make use of the solution shown in other types. For example, different optimization algorithms and also different indenter geometries can be used.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Vorrichtungcontraption
- 22
- Materialmaterial
- 33
- Prüfkörperspecimen
- 44
- Eindruckimpression
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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- WO 2009/9595 [0007] WO 2009/9595 [0007]
- WO 97/39333 [0008] WO 97/39333 [0008]
- WO 2006/013450 [0008] WO 2006/013450 [0008]
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- Extracting the plastic properties of metal materials from microindentation tests: Experimental comparison of recently published methods. Guelorget, Bruno and Francois, Manuel. 2007, Journal of Materials Research, Vol. 21 [0011] Extracting the plastic properties of metal materials from microindentation tests: Experimental comparison of recently published methods. Guelorget, Bruno and Francois, Manuel. 2007, Journal of Materials Research, Vol. 21 [0011]
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