DE19720864C2 - Verfahren und Vorrichtung zur zerstörungsfreien Bestimmung der Elastizität von Materialien - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur zerstörungsfreien Bestimmung der Elastizität von Materialien, insbesondere der Elastizität von Kunststoffen.

Bei der Härteprüfung metallischer Werkstoffe, z. B. nach Brinell- oder Vickers-Verfahren, wird zwar der Werkstoffkennwert "Härte" am Originalbauteil ermittelt, dieser Werkstoffkenn­ wert resultiert aber aus der plastischen Verformung (Eindruck). Bei der Shore-Härteprüfung von Kunststoffen nach DIN 53505 bzw. bei der Kugeldruckhärteprüfung nach DIN 53519 und DIN 53456 wird die Eindringtiefe während der Einwirkung der Belastung ermittelt. Die Proben sind relativ dünn und die Verformung ist relativ groß. Plastische Verformung ist da­ bei nicht auszuschließen. Bei der Berechnung der Härte kann keine elastische Theorie zu­ grunde gelegt werden, die eine eindeutige Beziehung zwischen der Verformung und der Belastung liefert. Ferner wird die Messung der Eindringtiefe trotz der Definition einer Vorlast durch mehrere Faktoren, z. B. die Verformung des Gestells, verfälscht.

Die oben genannten Härteprüfverfahren können auch direkt am Bauteil durchgeführt wer­ den, bei der Kugeldruckhärteprüfung teilweise zerstörungsfrei. So beschreibt die DE 31 18 476 A1 die Verwendung eines lichtundurchlässigen Eindringkörpers, dessen Eindringtiefe dann allerdings recht umständlich mittels einer Faseroptik ermittelt werden muß. Insofern ist also die Verwendung eines lichtdurchlässigen Eindringkörpers vorteilhafter. Die Härtewerte gelten jedoch nur für die durch die jeweiligen Normen definierten Prüfkräfte und Eindring­ körper und können nicht direkt in die elastische Theorie eingesetzt werden. Nur mit großer Ungenauigkeit kann ein Härtewert in einen Elastizitätsmodul umgerechnet werden. Dies ergibt sich beispielsweise aus der Zeitschrift MATERIALPRÜFUNG 38 (1996) 9, S. 374- 378, wo das "Abschätzen" elastischer Werkstoffkennwerte beschrieben wird.

Die elastischen Werkstoffkennwerte von Materialien werden bisher meistens an Proben durch Zugversuche ermittelt. Weil sich die Werkstoffkennwerte infolge vieler Einflußgrößen wie Temperatur und Belastungsgeschwindigkeit verändern, weichen die tatsächlichen Werkstoffkennwerte eines realen Bauteils von denen der Proben mehr oder weniger ab.

Aus der DE 24 30 272 C2 ist ein Verfahren zur zerstörungsfreien Prüfung und Bestimmung der Restspannungen, der elastischen Spannungen oder der Elastizitätsgrenze eines Werk­ stücks als Funktion der Tiefe bekannt, das Hertz'sche Gleichungen anwendet. Dabei wird das Werkstück nacheinander mit unterschiedlichen Druckstempeln beaufschlagt, und es wird für jeden Stempel die Druckkraft bestimmt, bei der ein erster plastischer Punkt in dem Werkstück auftritt. Das Verfahren ist relativ kompliziert.

Die DE-OS 16 48 494 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ermittlung der Härte von insbesondere aus viskoelastischem Material bestehenden Probenkörpern, wobei insbesondere vorgesehen ist, daß die Berührungsfläche zwischen dem Eindringkörper und dem Probekörper mittels einer oberhalb des Eindringkörpers angeordneten Meßeinrichtung durch den Eindringkörper hindurch gemessen wird.

Aus SU 1262340 A ist bekannt, den mit Hilfe eines Films erzeugten Abdruck eines Ein­ dringkörpers zur Mikro-Härte-Messung zu verwenden.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein neues Verfahren sowie eine Vorrich­ tung zu entwickeln, die eine zerstörungsfreie Bestimmung der Elastizität bzw. eines elasti­ schen Werkstoffkennwertes direkt an einem Originalbauteil ermöglicht. Dies gelingt mit den Merkmalen der Anspruches 1 bzw. 7. Dabei wird ein Eindringkörper, der in beiden Haupt­ krümmungsebenen bekannte Hauptkrümmungsradien besitzt, mit einer bestimmten Nor­ malkraft auf ein zu prüfendes Bauteil gedrückt. Die Abmessungen der Kontaktfläche zwi­ schen dem Eindringkörper und dem Bauteil werden während der Belastung durch den Ein­ dringkörper bestimmt. Aus der Normalkraft, der Kontaktflächengröße und den Hauptkrüm­ mungsradien wird ein elastischer Werkstoffkennwert nach Hertz'schen Gleichungen errech­ net.

Vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens sind in den Ansprüchen 2 bis 6 gekennzeich­ net. Die Ansprüche 8 bis 15 betreffen Ausgestaltungen der Vorrichtung.

Zur Lösung der Aufgabenstellung wird ein elastischer Werkstoffkennwert "Kontaktmodul" eingeführt, der durch folgende Gleichung definiert ist:

Dabei ist E₁ der Elastizitätsmodul, und ν₁ die Querkontraktionszahl des Werkstoffs.

Das Prinzip des erfindungsgemäßen Verfahrens zur zerstörungsfreien Bestimmung des Kontaktmoduls veranschaulichen Fig. 1 und 2. Bei dem Verfahren wird ein Eindringkörper (2) mit bekannten Hauptkrümmungsradien, vorzugsweise eine Linse aus lichtdurchlässigem Material, mit einer bestimmten Kraft F_z auf das zu prüfende Bauteil (1) gedrückt. Zwischen dem Eindringkörper (2) und dem Bauteil (1) entsteht infolge der elastischen Verformung eine Kontaktfläche (3). Diese Kontaktfläche wird mit einem Lichtbündel aus einer Beleuch­ tungsoptik (4) beleuchtet. Die Größe der Kontaktfläche wird mit Hilfe eines Längenmeßsy­ stems (5) bestimmt, das vorzugsweise auf einem optischen oder optoelektronischen Meß­ prinzip beruht.

Um eine definierte Normalkraft aufbringen zu können, wird entweder das Bauteil (s. Fig. 2) oder der Eindringkörper (s. Fig. 3-5) durch eine Führung (11) geführt und durch eine Bela­ stungsvorrichtung (7) verstellt bzw. belastet. Die dabei aufgebrachte Normalkraft wird mit Hilfe eines Kraftsensors (8) gemessen. Zur Einleitung der Kraft sind jeweils das Bauteil auf einem Auflagetisch (9) und der Eindringkörper in einem Gehäuse (10) befestigt. Ist die Kraft fein einzustellen oder über längere Zeit konstant zu halten, ist zusätzlich eine elastische Federung der Belastungsvorrichtung (7) in Reihe zu schalten, z. B. durch eine mechanische Feder (12) oder einen hydraulischen Speicher.

Vorzugsweise ist die Form des Eindringkörpers plan-konkav. Die Kontaktfläche (3) ist bei balliger Meßfläche ellipsenförmig (Fig. 1a) und bei ebener (Fig. 1b) oder kugelförmiger Meßfläche kreisförmig. Aus den halben Achsen a und b der Kontaktfläche, dem Ersatzradi­ us R_e der Kontaktpaarung und der aufgebrachten Normalkraft F_z läßt sich der Kontaktmo­ dul E_k der Kontaktpaarung über die Hertz'schen Gleichungen bestimmen:

Dabei sind s^* und l^* die Hertz'schen Beiwerte, die durch die Hauptkrümmungsradien R_x1, R_y1, R_x2, R_y2 der sich berührenden Körper bestimmt werden. Sie sind in "Eschmann, P.; Hasbargen, L.; Weigand, K.: Die Wälzlagerpraxis. 2. Auflage, Oldenbourg Verlag, München, Wien, 1978" als Funktion von

tabelliert. Die Indizes 1, 2 bezeichnen jeweils das Bauteil und den Eindringkörper, die Indi­ zes x, y bezeichnen die Hauptkrümmungsebenen. Der Ersatzradius R_e errechnet sich aus den Hauptkrümmungsradien der Kontaktkörper zu:

Bei plan-zylindrischem Eindringkörper und ebener oder zylindrischer Meßfläche (R_yi = ∞) ist die Kontaktfläche (3) rechteckig (Fig. 1c). Der Kontaktmodul läßt sich dann aus der Kon­ taktflächenlänge 2a und der Kontaktflächenbreite B bestimmen:

Bestehen das Bauteil und der Eindringkörper aus unterschiedlichen Werkstoffen, so gilt allgemein

Ist der Kontaktmodul E_k der Kontaktpaarung auf diese Weise bestimmt worden und sind der Elastizitätsmodul E₂ und die Querkontraktionszahl ν₂ des Eindringkörpers bekannt, so läßt sich der Kontaktmodul E_k1 des Bauteils (1) aus folgender Beziehung bestimmen:

Ist die Querkontraktionszahl ν₁ des Bauteils bekannt, kann der Elastizitätsmodul E₁ des Bauteils aus dem Kontaktmodul E_k1 errechnet werden:

Zur Anwendung des Verfahrens sind folgende Voraussetzungen zu beachten:

• - Erstens muß die Halbraumbedingung für die Hertz'schen Gleichungen erfüllt werden. Das heißt, daß das Bauteil in der Nähe der Kontaktfläche massiv sein muß und daß die kleinste Abmessung (Hauptkrümmungsradien, Länge, Breite und vor allem Dicke) des massiven Bereichs mindestens 5-fach größer als die kleinere Halbachse der Kontaktflä­ che sein muß.
• - Zweitens muß die Bauteiloberfläche in der Nähe der Kontaktfläche in beiden Haupt­ krümmungsebenen mit konstanten Hauptkrümmungsradien beschreibbar sein, z. B. zy­ linderförmig, kugelförmig, ballig oder eben. Die Hauptkrümmungsradien sollten bekannt sein, ansonst müssen sie vermessbar sein.
• - Drittens darf die Belastung den linearelastischen Bereich des Werkstoffs nicht über­ schreiten.

Vorzugsweise ist der Eindringkörper (2) aus lichtdurchlässigem Werkstoff, z. B. Glas oder Saphir, herzustellen und das Verfahren bei weicheren Materialien anzuwenden, z. B. Gummi, Polymeren oder Harz. Bei härteren Materialien ist es zweckmäßig, den Eindring­ körper (2) aus einem härteren, lichtundurchlässigen Werkstoff herzustellen. Weil sich die Kontaktfläche (3) in diesem Fall optisch nicht durch den Eindringkörper (2) betrachten läßt, wird die maximale Normalkraft und die entsprechende maximale Kontaktfläche bei der Auswertung verwendet. Die maximale Kontaktfläche bildet sich normalerweise auf dem Eindringkörper (2) und dem Bauteil (1) ab, vor allem wenn die Meßfläche mit einem dünnen trockenen Film belegt ist. Dieser Abdruck unterscheidet sich von dem Eindruck bei den Härteprüfungen dadurch, daß er infolge reiner elastischer Verformung entsteht. Der Ein­ dringkörper (2) ist so anzuordnen, daß er nach der Belastung bzw. nach der Trennung der Kontaktpaarung zur Seite geschoben oder gedreht werden kann, um die Kontaktfläche (Abdruck auf dem Bauteil) mit Hilfe des Längenmeßsystems (5) vermessen zu können. Die Vermessung des maximalen Abdrucks nach der Entlastung kann auch beim Eindringkörper aus lichtdurchlässigem Material angewendet werden, falls die Messung der Kontaktfläche während der Belastung nicht möglich ist, z. B. bei stoßartiger Belastung.

Die Druckspannung im Bauteil (1) ist u. a. von den Hauptkrümmungsradien des Eindringkör­ pers (2) und des Bauteils abhängig. Um sich mit der Spannung in einem günstigen Bereich zu bewegen, ist es zweckmäßig, einen Eindringkörper mit passender Form und passenden Hauptkrümmungsradien zu wählen, z. B. planparallel, plan-konkav, plan-konvex oder plan- zylindrisch.

Die Meßgenauigkeit der Kontaktflächengröße ist von dem Kontrast zwischen der Kontakt­ fläche (3) und der Umgebung stark beeinflußt. Um diesen Kontrast zu erhöhen, kann das Bauteil (1) mit einem dünnen trockenen Film belegt werden. Zum gleichen Zweck kann der Eindringkörper (2) mit glatter oder matter oder beschichteter Oberfläche versehen werden. Ferner kann eine dünne Folie (< 10 mm) zwischen dem Eindringkörper (2) und dem Bauteil (1) eingelegt werden, um die Kontaktfläche (3) deutlicher auf der Folie abzubilden. Das Me­ ßergebnis ist umso genauer, je dünner die Folie ist.

Eine geeignete Beleuchtung, variiert in der Farbe (Wellenlänge) und Lichtstrahlform, kann ebenfalls zu einem höheren Kontrast beitragen. Vorzugsweise ist die Kontaktfläche (3) mit einem parallelen Lichtbündel zu beleuchten und auf optischem oder optoelektronischem Weg zu vermessen, wobei die optischen Achsen der Beleuchtungsoptik (4) und des Län­ genmeßsystems (5) senkrecht auf die Kontaktfläche (3) bzw. das Spiegelbild (3') der Kon­ taktfläche (3) gerichtet werden sollen. Mit Hilfe eines Lichtteilers (6) kann diese Bedingung trotz der räumlichen Trennung beider Komponenten (4) und (5) erfüllt werden. Dabei ist zu beachten, daß kein Streulicht in die Kontaktfläche (3) und in den Lichtweg zum Längen­ meßsystem (5) einfallen kann.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist vorzugsweise eine konstante oder quasistati­ sche Normalkraft zu verwenden. Zur Ermittlung der Werkstoffeigenschaften unter dynami­ scher Belastung ist es zweckmäßig, die Normalkraft auch zeitlich zu verändern, z. B. peri­ odisch oder stoßartig. Entsprechend muß die Belastungsvorrichtung (7) und das Längen­ meßsystem (5) ausgestattet werden, z. B. mit einem Servozylinder und einer Videokamera.

Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens kann der Kontaktmodul an mehreren Stellen des zu prüfenden Bauteils bestimmt werden. Durch die Mittlung der einzelnen Kontaktmo­ dule kann ein genauerer Werkstoffkennwert ermittelt werden. Aus den Differenzen der ein­ zelnen Kontaktmodule kann die Inhomogenität eines Bauteils bestimmt werden, was neben der Zerstörungsfreiheit ein weiterer Vorteil gegenüber dem konventionellen Zugversuch ist.

Bei der Produktion von bandförmigen Materialien ist es zweckmäßig, die Werkstoffeigen­ schaften kontinuierlich zu überwachen. Dafür ist zweckmäßig, den Eindringkörper aus licht­ durchlässigem Material in Ringform (2d) herzustellen und auf dem laufenden Bauteil (1) rollen zu lassen (Fig. 5). Die Kontaktfläche (3) kann während des Rollens mit einem paralle­ len Lichtbündel (4) durch einen halbdurchlässigen Spiegel (6b) beleuchtet werden und mit Hilfe eines Längenmeßsystems, z. B. einer Videokamera (5d), überwacht werden. Diese Anordnung ist auch für Messungen an rotierenden Bauteilen geeignet.

Die Erfindung wird nachstehend anhand Fig. 2 und folgender Durchführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen

Fig. 3 eine Anordnung analog einer Prüfmaschine einschließlich der Meßtechnik und Steuerung;

Fig. 4 eine Anordnung als ein Handprüfgerät;

Fig. 5 eine Anordnung mit rotierendem Eindringkörper für laufendes Bandmaterial.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist einen auswechselbaren Eindringkörper (2) mit bekannten Hauptkrümmungsradien auf, der über dem zu prüfenden Bauteil (1) angeordnet ist. Dabei ist einer der beiden Körper beweglich geführt und wird mit Hilfe einer Belastungs­ vorrichtung (7), z. B. eines Spindelantriebs (7b), gegen den anderen Körper gedrückt, so daß eine Kontaktfläche (3) zwischen den beiden Körpern infolge elastischer Verformung entsteht. Vorzugsweise sind mehrere Eindringkörper mit unterschiedlichen Formen (plan- konkav, plan-zylindrisch u. s. w.) und unterschiedlichen Hauptkrümmungsradien in einem Revolver- oder Schiebemagazin anzuordnen, wobei sich nur ein ausgewählter Eindringkör­ per in der Meßposition befindet. Falls der Eindringkörper (2) aus lichtdurchlässigem Werk­ stoff hergestellt ist, ist er in einer eigenen Schutzfassung aus Stahl einzubauen.

Zur Beleuchtung und Messung der Kontaktfläche ist eine Beleuchtungsoptik (4) und ein Längenmeßsystem (5, 5b, 5c, 5d) auf der Seite des Eindringkörpers (2) über der Kontakt­ fläche (3) untergebracht. Vorzugsweise ist ein Lichtteiler (6) oder ein halbdurchlässiger Spiegel (6b) zwischen dem Eindringkörper (2) und der Beleuchtungsoptik (4) angeordnet, und das Längenmeßsystem (5, 5b, 5c, 5d) in der Normalrichtung der durch den Lichtteiler gespiegelten Kontaktfläche (3') positioniert. Bei alternativen Anordnungen können die Posi­ tionen der Beleuchtungsoptik (4) und des Längenmeßsystems (5, 5c) gegeneinander ver­ tauscht werden. Ferner können die Komponenten (4) und (6) im Längenmeßsystem (5) in­ tegriert werden.

Vorzugsweise sind der Eindringkörper (2), die Beleuchtungsoptik (4), der Lichtteiler (6, 6b), das Längenmeßsystem (5, 5b, 5c) und die Kraftmeßeinrichtung (8) als eine Baugruppe E in bzw. an einem gemeinsamen Gehäuse (10) unterzubringen. Diese Baugruppe E umfaßt die wesentlichen Komponenten der erfindungsgemäßen Vorrichtung und kann als Einbaumodul in einer weiteren Meßvorrichtung eingesetzt werden, z. B. in einer Universalprüfmaschine oder in einem Roboter. Natürlich können ein oder mehrere Komponenten der Baugruppe E auch aus der Baugruppe ausgelagert werden, z. B. die Kraftmeßeinrichtung (8).

Beweglich angeordnet ist entweder der Auflagetisch (9) (Fig. 2) oder die Baugruppe E (Fig. 3, 4). Die bewegliche Baugruppe E bzw. der bewegliche Auflagetisch (9) ist stets über eine Führung (11) mit dem Gestell (15) oder dem Außengehäuse (15c) direkt verbunden, und mit der Belastungsvorrichtung (7, 7b) direkt oder indirekt verbunden.

Bei der Anordnung als Handprüfgerät (Fig. 4) weist die Vorrichtung keine eigene Bela­ stungsvorrichtung auf. Die Belastung kann durch Handkraft oder durch eine äußere Bela­ stungsvorrichtung, z. B. einen Roboter, erfolgen. Die Baugruppe E ist in einem Außenge­ häuse (15c) durch eine Führung (11) geführt und über eine Feder (12) mit der Druckhülse (16) verbunden. Die Feder (12) ist für eine Fein-Einstellung der Druckkraft vorgesehen. Die Druckkraft F_z ist entweder durch die gesamte Hand über das Außengehäuse (15c) oder durch den Daumen über die Druckhülse (16) und die Feder (12) auf die Baugruppe E einzu­ leiten. Das Anpressen durch den Daumen ermöglicht eine feinere Krafteinstellung. Für Fäl­ le, wo diese Feinfühligkeit nicht nötig ist, kann die Druckhülse (16) wegfallen.

Für die Messung der Druckkraft und der Kontaktfläche beim Handprüfgerät sind solche me­ chanischen, optischen oder elektronischen Meßeinrichtungen vorteilhaft, die kabelfrei in dem Handprüfgerät untergebracht werden können. Fig. 4 zeigt ein solches Beispiel. Die Feder (12) dient neben der elastisch rückstellenden Funktion auch als Kraftmesser, indem der Federweg auf einer Kraftskala (17) angezeigt wird. Für die Kennzeichnung der maxima­ len Kraft kann ein zweiter Anzeiger angebracht werden. Die Kontaktfläche wird mit Hilfe einer Projektionsoptik (5c) auf einem Sichtfenster mit Längenskala projiziert. Die Anzeiger beider Größen sind so angeordnet, daß sie während des Anpressens gleichzeitig zu beob­ achten sind.

Bei dem Ausführungsbeispiel mit rotierendem Eindringkörper (Fig. 5) ist ein ringförmiger Eindringkörper (2d) aus lichtdurchlässigem Material an einem Stahlflansch (18) befestigt. Die Nabe des Stahlflansches ist in einem Halterrahmen (10d) gelagert, welcher eine ver­ gleichbare Funktion wie das Eindringkörpergehäuse (10) hat. Der Halterahmen ist durch die Führung (11) geführt und über den Kraftsensor (8) mit der Belastungsvorrichtung (7) ver­ bunden. Bei kleinem Hub kann die Wälzführung (11) durch eine elastische Führung, z. B. eine Blattfeder, ersetzt werden. Bei der Messung wird der Eindringkörper (2d) mit Hilfe der Belastungsvorrichtung (7) über den Halterahmen (10d) auf das zu prüfende Bauteil (1) ge­ drückt. Der Eindringkörper (2d) wird durch das laufende Bauteil (1) angetrieben und rotiert mit. Das Längenmeßsystem (5d), die Beleuchtungsoptik (4) und der Lichtteiler (6b) sind in dem Hohlraum des Eindringkörpers angeordnet und vorzugsweise mit dem Halterahmen (10d) verbunden. Die Kontaktfläche (3) kann optisch durch den rotierenden Eindringkörper (1) hindurch, umgelenkt durch den Lichtteiler (6b), mit Hilfe einer Videokamera (5d) beob­ achtet werden. Diese Anordnung kann bei der Qualitätssicherung kontinuierlich hergestell­ ter Bandmaterialien, oder bei der Untersuchung des Einflusses der Rollgeschwindigkeit auf die Elastizität des Bauteils angewendet werden.

Die Steuerung der Belastungsvorrichtung, die Meßdatenerfassung und -auswertung kön­ nen bei allen Ausführungsbeispielen manuell oder rechnerunterstützt geschehen. In Fig. 3 ist die rechnerunterstützte Ausführung dargestellt. Die Belastungsvorrichtung (7b), der Kraftsensor (8) und das Längenmeßsystem (5b) sind über entsprechende Steuer- und Auswertekarten, Relais und Verstärker (13) mit dem Mikroprozessor (14) verbunden. Mit Hilfe des Mikroprozessors (14) werden vollautomatisch oder interaktiv der Be- und Entla­ stungsvorgang gesteuert, die Meßdatenerfassung und -auswertung durchgeführt und die Meßergebnisse (Kontaktmodul bzw. Elastizitätsmodul) angezeigt. Eine vollautomatische Messung einschließlich Berechnung und Anzeige ist für die Anordnung als Handprüfgerät besonders sinnvoll, wobei sich die automatische Erkennung der Kontaktflächenabmessun­ gen als Hauptaufgabe darstellt.

Neben den beschriebenen Ausführungsbeispielen kann die erfindungsgemäße Vorrichtung in weiteren Bauformen, z. B. als Mikroskopprüfgerät, gestaltet werden. In den beschriebe­ nen Ausführungsbeispielen sind die einzelnen Komponenten der Vorrichtung nur mit einer bis drei Varianten vertreten. Der Einsatz vergleichbarer oder funktionsidentischer Varianten oder die Kombination solcher Varianten liegen im Rahmen der Ansprüche der vorliegenden Erfindung, z. B. eine CCD-Kamera oder ein optoelektronische Scanner statt eines Ablese­ fernrohrs bei dem Längenmeßsystem (5).

Im Vergleich zum Zugversuch wird das erfindungsgemäße Verfahren auch als Kontaktver­ such bezeichnet. Um die Genauigkeit des Kontaktversuchs zu überprüfen, werden Kontakt­ versuche an Bauteilen und Zugversuche nach DIN 53457 an Zugproben aus denselben Halbzeugen von drei Polymerwerkstoffen in einem engen Zeitraum durchgeführt. Der Ver­ gleich der Meßergebnisse aus Kontaktversuch und Zugversuch zeigt, daß bei einem relativ linearen Werkstoff die Kontaktmodule aus beiden Versuchen nur wenig voneinander abwei­ chen (< 1%). Bei nichtlinearen Werkstoffen sind die Kontaktmodulen aus dem Kontaktversuch jeweils um 3 bis 7% größer als die aus dem Zugversuch.

Im Vergleich zu Zugversuchen braucht der Kontaktversuch keine spezielle Probe. Das Verfahren kann direkt am Bauteil zerstörungsfrei angewendet und beliebig wiederholt wer­ den, auch nach dem Einsatz des Bauteils.

Im Vergleich zur Brinell-, Vickers-, Shore-Härte und Kugeldruckhärte, die je nach Werkstoff, Belastung und Norm unterschiedlich definiert sind, ist der Kontaktmodul ein für alle Werk­ stoffe einheitlich im elastischen Verformungsbereich definierter elastischer Werkstoffkenn­ wert, der direkt in die elastische Theorie eingesetzt werden kann. Außerdem wird die Kon­ taktfläche nicht durch die Gestellverformung beeinflußt, eine Definition der Vorlast ist daher nicht nötig. Die Meßfläche des zu prüfenden Bauteils wird nur im elastischen Bereich bela­ stet und daher nicht beschädigt.

In der industriellen Qualitätssicherung kann die Erfindung vorzugsweise an weicheren Ma­ terialien, wie Kunststoffen und weicheren Metallen, zur zerstörungsfreien Bestimmung und Überwachung der Elastizität der Halbzeuge und der Bauteile unter realen Einsatzbedingun­ gen angewendet werden. In der Forschung kann die Erfindung zur Untersuchung der Ein­ flüsse verschiedener Parameter, wie Temperatur und Belastungsgeschwindigkeit u. s. w., auf die Elastizität der Bauteile dienen. In der Bauindustrie und Landwirtschaft kann die Erfin­ dung angewendet werden, um die Elastizität von Beton, Harz, Asphalt, Sportplatzboden, Boden und Obst u. s. w. zerstörungsfrei zu bestimmen. In der Medizin kann der Kontaktver­ such angewendet werden, um die Elastizität der Prothesenwerkstoffe und Gewebe u. s. w. zerstörungsfrei zu bestimmen.

Claims (15)

1. Verfahren zur zerstörungsfreien Bestimmung der Elastizität von Materialien, insbe­ sondere von Kunststoffen, bei dem

• a) ein Eindringkörper (2), der in beiden Hauptkrümmungsebenen bekannte Haupt­ krümmungsradien aufweist, auf ein zu prüfendes Bauteil (1) mit einer konstanten oder ver­ änderlichen Normalkraft gedrückt wird,
• b) die sich infolge elastischer Verformung zwischen beiden Körpern einstellende Kon­ taktfläche (3) während der Belastung direkt durch den Eindringkörper (2) hindurch oder nach Entlastung anhand des Abdrucks der Kontaktfläche (3) vermessen wird,
• c) und schließlich ein elastischer Werkstoffkennwert, nämlich der Kontaktmodul oder der daraus abzuleitende Elastizitätsmodul des Bauteils, aus der Größe der Kontaktfläche, der Normalkraft und den Hauptkrümmungsradien der Kontaktkörper nach Hertz'schen Glei­ chungen berechnet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Eindringkörper aus lichtdurchlässigem Material hergestellt ist und die Kontaktfläche mit Hilfe einer Lichtquelle während der Belastung durch den Eindringkörper beleuchtet und optisch mit Hilfe eines Längenmeßsystems vermessen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Eindringkörper aus lichtundurchlässigem Material hergestellt ist und die Kontaktfläche erst nach der Entlastung und Entfernung des Eindringkörpers vom Bauteils anhand eines auf dem Eindringkörper oder dem Bauteil oder auf einem Zwischenmedium, wie einem Film oder einer Folie, ver­ bleibenden Abdrucks der maximalen Kontaktfläche vermessen wird.

4. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Lichtteiler oder ein halbdurchlässiger Spiegel so angeordnet wird, daß der beleuch­ tende Lichtstrahl und die optische Betrachtungsachse des Längenmeßsystems jeweils senkrecht auf die Kontaktfläche oder das durch den Lichtteiler abgebildete Spiegelbild der Kontaktfläche gerichtet werden.

5. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß Messungen an mehreren Meßstellen des gleichen Bauteils durchgeführt werden und ein Mittelwert aus den einzelnen Meßwerten gebildet wird, oder anhand des Streubandes eine Aussage über die Inhomogenität des Bauteils getroffen wird.

6. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein ringförmiger Eindringkörper (2d) aus lichtdurchlässigem Material auf einem rotie­ renden oder laufenden Bauteil (1) abrollt und dabei mit einer vorbestimmten Normalkraft beaufschlagt wird, wobei die Kontaktfläche (3) während des Rollens durch den Eindringkör­ per (2d) und über einen halbdurchlässigen Spiegel (6b) mit Hilfe einer Längenmeßvorrich­ tung (5d) vermessen wird.

7. Vorrichtung zur zerstörungsfreien Bestimmung der Elastizität von Materialien, insbe­ sondere von Kunststoffen, mit einem auswechselbaren Eindringkörper (2) mit bekannten Hauptkrümmungsradien, der über einem Bauteil (1) angeordnet ist, wobei Eindringkörper (2) und Bauteil (1) relativ zueinander beweglich sind und der eine gegen den anderen Kör­ per (1 bzw. 2) mit Hilfe einer Belastungsvorrichtung (7) drückbar ist, wobei die sich infolge elastischer Verformung zwischen beiden Körpern einstellende Kontaktfläche (3) während der Belastung direkt oder nach Entlastung anhand des Abdrucks der Kontaktfläche (3) mit einem Längenmeßsystem (5) vermeßbar ist, und wobei ein Rechner (14) zum Berechnen bzw. zur Darstellung eines elastischen Werkstoffkennwertes, nämlich des Kontaktmoduls oder des daraus abzuleitenden Elastizitätsmoduls, aus der Größe der Kontaktfläche, der Normalkraft und den Hauptkrümmungsradien der Kontaktkörper nach Hertz'schen Glei­ chungen vorgesehen ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein oder mehrere Ein­ dringkörper mit unterschiedlichen Formen und unterschiedlichen Hauptkrümmungsradien in einem Revolver- oder Schiebemagazin an der Meßposition angeordnet sind, wobei nur ein Eindringkörper (2) sich während der Belastung in der Meßposition befindet.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein ringförmiger Ein­ dringkörper (2d) aus lichtdurchlässigem Material in einem Stahlflansch (18) befestigt ist und über eine Stahlnabe in einem Halterahmen (10d) gelagert ist, wobei der Halterahmen durch eine Führung (11) geführt ist und über einen Kraftsensor (8) mit einer Belastungsvorrich­ tung (7) verbunden ist (Fig. 5).

10. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeich­ net, daß das Längenmeßsystem (5, 5b, 5c, 5d), eine Beleuchtungsoptik (4) und ein Lichttei­ ler (6, 6b) über der Kontaktfläche (3) angeordnet sind, wobei die optischen Achsen der bei­ den Komponenten (4, 5) jeweils senkrecht zur Kontaktfläche (3) oder zum Spiegelbild (3') der Kontaktfläche gerichtet sind.

11. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeich­ net, daß der Eindringkörper (2), eine Beleuchtungsoptik (4), ein Lichtteiler (6, 6b), das Län­ genmeßsystem (5) und eine Kraftmeßvorrichtung (8) als Baugruppe (E) in oder an einem gemeinsamen Gehäuse (10) untergebracht sind (Fig. 3 und 4).

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß Bauteil (1) und Bau­ gruppe (E) durch eine Führung (6) relativ zueinander beweglich geführt sind, und der je­ weils bewegliche Bauteil mit der Belastungsvorrichtung (7) direkt, oder über einen Kraftsensor (8), oder über eine Feder (12), verbunden ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrich­ tung als Handprüfgeräte ausgeführt ist (Fig. 4), wobei das Eindringkörpergehäuse (10) oder die Baugruppe (E) in einem Außengehäuse (15c) durch eine Führung (11) geführt ist und eine Feder (12) sowie eine Druckhülse (16) zwischen dem Außengehäuse (15c) und der Baugruppe (E) untergebracht sind.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß ein Anzeiger für die Normalkraft und die Kontaktfläche so angeordnet sind, daß sie während des Andrückens gleichzeitig zu beobachten sind.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß eine Feder (12) über einem auf einer Kraftskala (17) dargestellten Federweg als Kraftmesser dient.