DE19812026A1

DE19812026A1 - Static hardness test for work pieces

Info

Publication number: DE19812026A1
Application number: DE1998112026
Authority: DE
Inventors: Claus Kleesattel
Original assignee: Krautkraemer GmbH
Current assignee: Krautkraemer GmbH
Priority date: 1998-03-19
Filing date: 1998-03-19
Publication date: 1999-09-23

Abstract

A stamp is pressed against the work piece along a penetration path. The force (20) applied rises from zero to a maximum (Fmax) within a first time span (penetration time) which is maintained for a second period (holding time) without moving the stamp. In a third period (withdrawal time) the stamp is moved along a return path until the force (22) falls to zero. The test force applied along both paths is measured and either the speed of the stamp or the distance it travels determined. From the integral of the force over distance traveled during the penetration time minus that during the withdrawal time an energy parameter (Wp) is obtained which is a reciprocal of an exponential function of the hardness and can be converted into a hardness value.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur quasistatischen Prüfung der Härte eines Werkstücks, bei dem ein Eindringkörper mit einer Prüf kraft in das Werkstück hineingedrückt wird und dabei Messungen durchge führt werden. Üblicherweise wird die Größe des erreichten Eindrucks im Werkstück erfaßt.The invention relates to a method for quasi-static testing the hardness of a workpiece in which an indenter with a test force is pressed into the workpiece and measurements are carried out in the process leads. The size of the impression achieved is usually in the Workpiece detected.

Von den dynamischen Prüfverfahren für Härte ist es seit langem bekannt, dass Härtezahlen aus der beim Eindringvorgang verbrauchten Energie abge leitet werden können. So wird die Shore-Härte definiert durch eine Gleichung, in die als Variable einerseits die plastische Verformungsenergie Wp und andererseits die kinetische Energie des Prüfkörpers unmittelbar vor dem Aufprall eingehen. Ein nach diesem dynamischen Prüfverfahren arbeitendes Gerät zur Härteprüfung ist beispielsweise aus DE 24 52 880 C2, US 4 034 603 A bekannt.It has long been known of the dynamic test methods for hardness that hardness numbers are derived from the energy consumed during the penetration process can be directed. So the Shore hardness is defined by a Equation in which the plastic deformation energy is a variable Wp and on the other hand the kinetic energy of the test specimen immediately withstand before impact. According to this dynamic test method Working device for hardness testing is for example from DE 24 52 880 C2, US 4 034 603 A is known.

Charakteristisch für die dynamischen Prüfungsverfahren ist, dass sie in folge der dynamischen Verformungsparameter, z. B. Relaxationszeiten, sowie infolge von akustischen Verlusten, z. B. Stoßwellenenergie, eine relativ hohe Streuung der Meßresultate aufweisen. Das Meßresultat ist auch von den dynamischen Eigenschaften der Proben abhängig, so dass die Prüfung an kleinen oder an sich durchbiegenden Teilen nicht in Frage kommt. Als Pa rameter gehen ferner noch die elastischen Konstanten der Werkstücke in die Messung ein. Die Meßpraxis bestätigt jedoch folgendes: der mit dem Eindringvorgang verbundene Energieverlust ist umso kleiner, je härter der Werkstoff ist.It is characteristic of the dynamic examination procedures that they are in follow the dynamic deformation parameters, e.g. B. relaxation times, as well due to acoustic losses, e.g. B. shock wave energy, a relatively high Show scatter of the measurement results. The measurement result is also from the dynamic properties of the samples depend, so the test to small or bending parts is not an option. As Pa parameters also go into the elastic constants of the workpieces the measurement. However, the measurement practice confirms the following: the one with the Penetration process associated energy loss is the smaller, the harder the Material.

Die Erfindung hat es sich zum Ziel gesetzt, die Nachteile der dynamischen Prüfverfahren, wie sie oben erwähnt wurden, zu umgehen, aber ihre Vortei le beizubehalten. Sie hat es sich zur Aufgabe gemacht, ein Verfahren zur quasistatischen Prüfung der Härte eines Werkstücks und eine nach diesem Verfahren arbeitende Vorrichtung anzugeben, das bzw. die frei ist von den erwähnten Nachteilen der dynamischen Prüfverfahren und bei dem die Meß resultate möglichst eng an eingeführte, bekannte Meßverfahren, z. B. nach Vickers, angelehnt sind.The aim of the invention is to overcome the disadvantages of dynamic Bypassing test methods as mentioned above, but their advantage to maintain le. It has set itself the task of creating a procedure for quasi-static testing of the hardness of a workpiece and one after it Specify method working device that is free of mentioned disadvantages of the dynamic test methods and in which the measurement results as closely as possible to established, known measuring methods, e.g. B. after Vickers, are ajar.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur quasistatischen Prüfung der Härte eines Werkstücks, bei dem ein Eindringkörper, entlang eines Ein dringweges mit einer Prüfkraft in das Werkstück hineingedrückt wird, die ausgehend von der Prüfkraft null innerhalb einer vorgegebenen, ersten Zeitspanne (Eindringzeit) auf die Prüfkraft Fmax ansteigt, auf diesem Wert Fmax für eine vorgegebene, zweite Zeitspanne (Haltezeit) gehalten wird, ohne bewegt zu werden, und dann innerhalb einer dritten Zeitspanne (Aus dringzeit) entlang eines Rückweges wieder zurückbewegt wird, bis die Prüfkraft wieder auf den Wert null abfällt, dass die Prüfkraft entlang des Eindringwegs und entlang des Rückwegs gemessen wird, dass entlang des Eindringweges und des Rückweges entweder die vom Prüfkörpern zurückge legte Wegstrecke oder die Geschwindigkeit des Prüfkörpers ermittelt wird und dass aus der Differenz: Wegintegral der Prüfkraft während der Ein dringzeit minus Wegintegral der Kraft während der Entlastungszeit eine Energiegröße Wp gewonnen wird, die reziprok zu einer Potenzfunktion der Härte ist und die in einen Härtewert H umgerechnet wird, sowie durch eine Vorrichtung nach dem Patentanspruch 9.This problem is solved by a method for quasi-static testing the hardness of a workpiece, in which an indenter, along an one is urgently pressed into the workpiece with a test force which based on the zero test force within a predetermined first Time span (penetration time) to the test force Fmax increases to this value Fmax is held for a predetermined, second time period (holding time), without being moved, and then within a third period (off urgent time) is moved back along a way back until the Test force drops back to zero, that the test force along the Path of penetration and along the return path is measured along that Penetration path and the return path either from the test specimens distance or the speed of the test specimen is determined and that from the difference: path integral of the test force during the on urgent time minus path integral of the force during the relief time one Energy quantity Wp is obtained, which is reciprocal to a power function of Hardness is and which is converted into a hardness value H, as well as by a Device according to claim 9.

Das Verfahren schlägt somit eine neue Härteskala vor, die auf der Ener giebasis beruht, die Prüfung erfolgt dabei quasistatisch. Die neue Härte skala läßt sich in die Härteskala nach Vickers umrechnen, die Umrechnung erfolgt über eine Funktion, in die als abhängige Größen nur die maximale Prüfkraft Fmax und die plastische Verformungsenergie Wp eingehen.The process thus proposes a new hardness scale, that on the Ener giebasis is based, the test is quasi-static. The new hardness The scale can be converted into the Vickers hardness scale, the conversion takes place via a function in which only the maximum as dependent sizes Test force Fmax and the plastic deformation energy Wp.

Das Prüfungsverfahren ist quasistatisch, die Bewegungen erfolgen somit langsam. Sie erfolgen so langsam, dass kinetische Anteile unberücksichtigt bleiben können. Damit ist das Meßergebnis durch dynamische Effekte nicht verfälscht. Außerdem ist es praktisch unabhängig von den elastischen Pa rametern des Werkstücks. Das trifft auch zu für elastische Verschiebungen in der Werkstückhalterung und sonstwo in der Prüfmaschine. Aufgrund der Energiemessung sowohl beim Eindringen, also auf dem Hinweg, als auch beim Ausdringen, also auf dem Rückweg, spielt die elastische Verformungs energie für das Ergebnis keine Rolle, da die beim Eindringen geleistete elastische Verformungsenergie beim Ausdringen wieder zurückgewonnen wird.The examination procedure is quasi-static, so the movements take place slowly. They are so slow that kinetic components are disregarded can stay. So the measurement result is not due to dynamic effects adulterated. In addition, it is practically independent of the elastic Pa parameters of the workpiece. This also applies to elastic displacements in the workpiece holder and elsewhere in the testing machine. Due to the Energy measurement both when entering, i.e. on the way there, as well when it gets out, i.e. on the way back, the elastic deformation plays energy does not matter for the result, since the one achieved when penetrating elastic deformation energy recovered when it is squeezed out becomes.

Wie bei den dynamischen Härteverfahren wird - nun allerdings quasista tisch - die Härte von der Verformungsenergie beim Erzeugen eines Ein drucks ermittelt. Dazu wird quasistatisch über einen Be- und Entlastungs zyklus, also auf einem Eindringweg und auf einem Ausdringweg, das Kraft- Weg-Integral oder eine entsprechende Energiegröße gewonnen und daraus der Härtewert berechnet.As with the dynamic hardening process - but now quasista table - the hardness of the deformation energy when generating an one pressure determined. This is done quasi-statically via a loading and unloading cycle, i.e. on a penetration path and on an extrusion path, the force Path integral or a corresponding energy quantity obtained and from it the hardness value is calculated.

Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, dass keine Vorkraft er forderlich ist. Das Meßergebnis ist zudem relativ wenig abhängig von der Oberflächengüte des zu prüfenden Werkstücks.The method according to the invention has the advantage that it does not have any previous force is required. The measurement result is also relatively little dependent on the Surface quality of the workpiece to be tested.

Das Verfahren und insbesondere die für die Durchführung des Verfahrens im Anspruch 9 spezifizierte Vorrichtung sind relativ einfach und preisgün stig zu realisieren. Die Kraft beim Eindringen und beim Ausdringen läßt sich über gut etablierte Verfahren messen. Neben der Kraftmessung muß nur noch entweder die Geschwindigkeit, mit der der Eindringkörper bewegt wird, oder sein jeweiliger Ort erfaßt werden. Die Geschwindigkeit kann direkt gemessen werden, beispielsweise über Hallsonden oder induktiv, sie kann aber auch über eine Kombination aus einer Ortsmessung mit einer Zeitmessung durchgeführt werden. Als Verfahren zur Ortsmessung kommen hierbei kapazitive, induktive, optische (insbesondere Interferenz und vor zugsweise Laserstrahlinterferometer) Verfahren zur Anwendung.The procedure and in particular that for the implementation of the procedure Device specified in claim 9 are relatively simple and inexpensive always realized. The force when entering and exiting leaves measure themselves against well-established procedures. In addition to the force measurement only either the speed at which the indenter moves will be detected, or its respective location. The speed can be measured directly, for example via Hall probes or inductively can also be a combination of a location measurement with a Time measurement can be carried out. Come as a method for location measurement capacitive, inductive, optical (especially interference and above preferably laser interferometer) method of application.

Der Eindringkörper ist in seiner Form beliebig, alle bekannten Eindring körper der etablierten Härtemeßverfahren können eingesetzt werden, also hauptsächlich Pyramiden, Kegel und Kugeln oder Kombinationen derselben, wie beim Rockwell-C-Eindringkörper. Die Bedingung ist allerdings, dass mit zunehmender Eindringtiefe die Kontaktfläche monoton ansteigt.The shape of the indenter is arbitrary, all known intrusions body of the established hardness measurement methods can be used, ie mainly pyramids, cones and spheres or combinations thereof, like the Rockwell-C indenter. However, the condition is that with increasing contact depth, the contact area increases monotonously.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist unabhängig von den elastischen Kon stanten der untersuchten Werkstücke, da ausschließlich der plastische Ver formungsanteil in die Härteformel eingesetzt wird. Die elastischen Eigen schaften der Werkstücke stören bei allen bisherigen, auf Tiefenmessungen beruhenden Prüfverfahren, wie Rockwell, Brinell, Universalhärte usw.The method according to the invention is independent of the elastic cones of the examined workpieces, since only the plastic ver is used in the hardness formula. The elastic properties The workpieces interfere with all previous depth measurements based test methods such as Rockwell, Brinell, universal hardness etc.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren und der entsprechend ausgebildeten Vorrichtung gibt es kein Nullpunktproblem, da der Flächeninhalt des Weg integrals der Kraft (oder entsprechendes Integral über der Zeit) am An fang, also bei beginnendem Eindringen, sehr klein ist. Weiterhin kann der Anfangsverlauf mathematisch angenähert werden, also auf den Nullpunkt zurückgerechnet werden, da ohne die elastische Verschiebungskomponente am Ursprung, also im Nullpunkt, der Scheitel einer Parabel liegt.In the method according to the invention and the appropriately trained Device there is no zero point problem because of the area of the path integrals of force (or corresponding integral over time) on the An catch, i.e. at the beginning of penetration, is very small. Furthermore, the The initial course can be approximated mathematically, i.e. to the zero point be calculated back, since without the elastic displacement component the vertex of a parabola lies at the origin, i.e. at the zero point.

Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich einfach kalibrieren, wenn die Abhängigkeit der Härte als Funktion der plastischen Verformungsenergie Wp bekannt ist.The inventive method can be easily calibrated if the Dependence of hardness as a function of the plastic deformation energy Wp is known.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann man immer dann eine Härte angeben, wenn eine Verformungsenergie erfaßt und gemessen werden kann, was selbst noch bei extrem kleinen Prüfkräften technisch möglich ist. Eine wichtige Anwendung der Erfindung sind beschichtete Werkstoffe als Werk stücke.With the method according to the invention, hardness can always be achieved indicate if a deformation energy can be detected and measured, which is technically possible even with extremely small test forces. A important applications of the invention are coated materials as a work pieces.

Eine Berechnung der Vickershärte HV liefert das Verfahren nach Anspruch 4. Die Konstante K ist eine Funktion der Einwirkungszeit th der Prüfkraft Fmax. Es ist dK/dth < 0. Für die Exponenten gilt vorzugsweise a = 1,5.b. Es ergeben sich gute Übereinstimmungen mit der klassischen, auf Diagonal enmessung beruhenden Vickers-Härte, dies insbesondere für die Exponenten a = 2,48 und b = 1,65.The method according to claim provides a calculation of the Vickers hardness HV 4. The constant K is a function of the exposure time th of the test force Fmax. It is dK / dth <0. The exponents preferably have a = 1.5.b. There are good similarities with the classic, on diagonal measurement based on Vickers hardness, especially for the exponents a = 2.48 and b = 1.65.

Das Verfahren nach Anspruch 5 führt zu willkürlich gewählten Härteskalen. Vorzugsweise ist gemäß Anspruch 6a = 3 und b = 2. Dann hat F_max ³/Wp² die Dimension eines Drucks. Dies ist physikalisch sinnvoll.The method according to claim 5 leads to arbitrarily chosen hardness scales. Preferably, according to claim 6a = 3 and b = 2. Then F _max ³ / Wp ^{2 has} the dimension of a pressure. This makes sense physically.

Das Verfahren nach Anspruch 7 eignet sich beispielsweise für Messungen an Kunststoffen, bei denen die elastische Rückverformung mit Verzögerung erfolgt.The method according to claim 7 is suitable, for example, for measurements on plastics, where the elastic recovery with delay he follows.

Das Verfahren nach Anspruch 8 ist erfüllt, wenn die Belastung in Überein stimmung mit der Vickers-Prüfnorm erfolgt. Für die zulässige Aufprallge schwindigkeit z gilt z < 9.(P.d/m)^1/2. Dabei ist P die Prüfkraft in gf, m die bewegliche Masse in g und d die Vickers-Diagonale in µm. Beispiel: P = 1000 gf, m = 100 g, d = 0,2 mm, folglich z < 0,4 mm/s.The method of claim 8 is fulfilled if the load is in accordance with the Vickers test standard. For the permissible impact speed z, z <9. (Pd / m) ^1/2 . P is the test force in gf, m the moving mass in g and d the Vickers diagonal in µm. Example: P = 1000 gf, m = 100 g, d = 0.2 mm, consequently z <0.4 mm / s.

Erfindungsgemäß kann auch der Probenmodul E_p* = E/(1-v²) mittels Ener giemessung bestimmt werden.According to the invention, the sample module E _p * = E / (1-v ² ) can also be determined by means of energy measurement.

Die elastische Energie We kann allerdings nur dann richtig gemessen wer den, wenn man elastische Verformung außerhalb der Eindruckszone aus schließt oder verhindert. Entsprechende Vorkehrungen müssen bei der Prüfvorrichtung getroffen werden. Es gilt daher:
However, the elastic energy We can only be measured correctly if one excludes or prevents elastic deformation outside the impression zone. Appropriate precautions must be taken with the test device. The following therefore applies:

Der absteigende Ast 22 in Fig. 1 ist eine reversible Hertz-Kurve, für die man schreiben kann:
The descending branch 22 in FIG. 1 is a reversible Hertz curve for which one can write:

F(x) = [(x-h')/(h-h')]^eps.Fmax (3)F (x) = [(x-h ') / (h-h')] ^eps .Fmax (3)

Bei einem Kugelkontakt ist eps = 1,5. Bei pyramidenförmigen Eindringkör pern ist eps < 1,5. Es liegt bei Stählen zwischen 1,1 und 1,2. Es ist charak teristisch für die elastische Kurve, dass ihre obere Länge praktisch gerad linig verläuft, während am unteren Ende ihre Steigung rapide abnimmt, um gegen 0 zu gehen, wenn F gegen null geht. Da eps immer größer als 1 ist, gilt das ausnahmslos. Die exakte Bestimmung von h' erfolgt vorzugsweise in der Prüfvorrichtung, mittels der Elektronik kann die Größe von x genau in dem Augenblick gemessen werden, wenn F = 0 ist.With a ball contact, eps = 1.5. With pyramidal indenters pern is eps <1.5. It is between 1.1 and 1.2 for steels. It is charak teristic for the elastic curve that its upper length is practically straight linig runs, while at the lower end their slope decreases rapidly to go to 0 when F goes to zero. Since eps is always greater than 1, this applies without exception. The exact determination of h 'is preferably carried out in the test device, by means of the electronics, the size of x can be exactly be measured at the moment when F = 0.

Das Dreieck des Flächeninhalts 1/2 (h-h").Fmax entspricht der elasti schen Energie We', die zur Berechnung des Moduls Eip benötigt wird. Die Gerade von h" nach P gehört zu einer Entlastung bei konstanter Kontakt fläche A = Amax. Ihrer Steigung entspricht eine Federkonstante:
The triangle of the area 1/2 (hh "). Fmax corresponds to the elastic energy We ', which is required to calculate the module Eip. The straight line from h" to P belongs to a relief with constant contact area A = Amax. A spring constant corresponds to your pitch:

dF/dx = Ke (Amax)^1/2 Eip* (4)dF / dx = Ke (Amax) ^1/2 Eip * (4)

Die Konstante Ke ist vom Wert 1 nicht sehr verschieden. Infolge der ge ometrischen Rückverformung (Winkeländerung) der in Berührung stehenden Körper bei Entlastung wird zusätzliche Energie deltaWe frei, die dem Inhalt der Fläche zwischen der Geraden P-h", dem Ast 22 und der x-Achse pro portional ist. Es gilt We = deltaWe + We'. Die Verknüpfung von We und We' ist wie folgt:
The constant Ke is not very different from the value 1. As a result of the geometrical reshaping (change in angle) of the bodies in contact with relief, additional energy deltaWe is released, which is proportional to the content of the area between the straight line Ph ", the branch 22 and the x-axis. We = deltaWe + We '. The link between We and We' is as follows:

We'/We = (1+eps)/2eps (5)
We '/ We = (1 + eps) / 2eps (5)

oder, wenn man nach dem Exponenten auflöst:
or, if you resolve after the exponent:

eps = (2We'/We-1)^-1 (5a)eps = (2We '/ We-1) ^-1 (5a)

Auf die verschiedenen Verfahrensweisen zur Bestimmung von eps wird wei ter unten eingegangen.We refer to the various procedures for determining eps ter received below.

Der gesuchte Modul Eip* läßt sich aus folgender Formel berechnen:
The searched module Eip * can be calculated from the following formula:

Eip* = Fmax^c/CWe' Wp^d = Fmax^c/CWe Wp^d.2eps/1 + eps (6)Eip * = Fmax ^c / CWe 'Wp ^d = Fmax ^c / CWe Wp ^d .2eps / 1 + eps (6)

Da b = 2/3a sein muß (wegen einer Invarianzbedingung), ergibt sich für die Exponenten c und d:
Since b = 2 / 3a must be (due to an invariance condition), the following results for exponents c and d:

c = a/2 + 3/2
d = a/3 (7)c = a / 2 + 3/2
d = a / 3 (7)

Die plastische Verformungsenergie:
The plastic deformation energy:

findet man aus den Kurven F(x), Fig. 1. Da in der Konstante C auch die Konstante K enthalten ist, ändert sich deren Größe, wenn die Krafthalte zeit th variiert wird, dC/dth < 0. Wenn der Modul E*₁ des Eindringkörpers bekannt ist, findet man für den gesuchten Probenmodul:
can be found from the curves F (x), Fig. 1. Since the constant C also contains the constant K, its size changes when the force holding time th is varied, dC / dth <0. If the module E * _{1 of} the indenter is known for the sample module sought:

Ep* = Ei*Eip*/(Ei*-Eip*) (9)
Ep * = Ei * Eip * / (Ei * -Eip *) (9)

und schließlich bei bekannter Poissonzahl v
and finally with a known Poisson number v

Ep = Ep*(1-v²) = 4 Gp (1-Gp/Ep*) (10)
Ep = Ep * (1-v ² ) = 4 Gp (1-Gp / Ep *) (10)

Gp ist der Schubmodul des Probenwerkstoffs.Gp is the shear modulus of the sample material.

Von den Exponenten a, b, c, d braucht man lediglich einen empirisch be stimmen. Die übrigen ergeben sich dann aus den Beziehungen (7).Of the exponents a, b, c, d one needs only one empirically voices. The rest then result from the relationships (7).

In der Praxis sieht die Eip*-Messung wie folgt aus: a) Fmax ist gegeben, b) Wp ist schon von einer vorausgegangenen Härtemessung bekannt, c) We wird von der elektronischen Integriervorrichtung aus der Entlastungskurve gewonnen und d) h-h' liefert der noch zu besprechende lineare Verschie bungsmesser gleichzeitig mit der We-Integration. Vorteilhaft ist dabei, dass von der elastischen Energie We ausgegangen wird und der real vorhandene Punkt h' auf der x-Achse verwendet wird.In practice, the Eip * measurement looks like this: a) Fmax is given, b) Wp is already known from a previous hardness measurement, c) We is from the electronic integration device from the relief curve won and d) h-h 'gives the linear shift to be discussed Exercise meter at the same time as the We integration. It is advantageous that the elastic energy We and the real available energy are assumed Point h 'is used on the x-axis.

Verfahren zur Bestimmung von h" oder eps:
Method for determining h "or eps:

1. If the length h 'can be measured with sufficient accuracy, the exponent eps is obtained from the following relationship:
eps = (h-h ') Fmax / We-1 (11)
If you insert this value for eps into equation (6), you get a formula for Eip * that is no longer dependent on eps. It is crucial that you can measure hh 'reliably.
2. Use of a data table of the type eps = f (HV, Eip *). The hardness HV is calculated from equation (1). Concrete:
HV = Fmax 2.48 .Wp -1.65 .1 / 265 (kgf / mm 2 ) (12)
The constant applies to th <1 sec. The force is used in N, the energy in N. mm. For Eip * one looks for a provisional value by looking at Eq. (6) the energy We and uses an estimated value for eps, e.g. B. eps = 1.15 for a steel sample. An improved value for eps can then be found from the data table or the like, which, in Eq. (6) uses, also provides an improved Eip * value. Further improvement through further steps. Iteration method.
3. Graphical evaluation: The tangent is put through the point P of the relief curve 22 and so is found h ". The energy We 'follows from this.
4. Computer use for curve analysis: The computer finds the one to discharge exponent eps, if this by the function (3) is defined. The searched energy then becomes We '= We (1 + eps) / 2eps. Yourself understandable for this purpose by other suitable Make use of functions.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unter ansprüchen.Further advantages and features of the invention emerge from the sub claims.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindungen ergeben sich darüber hin aus aus der nachfolgenden Beschreibung, in der die Erfindung näher erläu tert wird und in der eine Vorrichtung zur Durchführung der Erfindung all gemein beschrieben wird. Dies erfolgt unter Bezugnahme auf die Zeichnung. In dieser zeigen:Further features and advantages of the inventions also result from the following description in which the invention is explained in more detail tert and in which a device for carrying out the invention all is commonly described. This is done with reference to the drawing. In this show:

Fig. 1 Kraft-Wegdiagramm für die Eindringenergie Wp und für die während der Entlastung freiwerdende elastische Energie We, Fig. 1 force-path diagram for the penetration energy Wp and the liberated during the discharge elastic energy We,

Fig. 2 ein Kraft-Zeitdiagramm für einen vollständigen Belastungszyklus mit Eindring- und Rückfederungsphase, zusätzlich auch mit Ruhephase, Fig. 2 shows a force-time diagram for a full loading cycle with penetration and rebound phase, and additionally also with resting phase,

Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung für die Durchfüh rung des Verfahrens, aus der zugleich die Verfahrensschritte er sichtlich sind, und Fig. 3 is a schematic representation of a device for the implementation of the method, from which at the same time the process steps are visible, and

Fig. 4 ein Schnittbild einer Vorrichtung für die Durchführung des Verfah rens ähnlich der Vorrichtung nach Fig. 3, jedoch nunmehr in einer anderen Ausbildung. Fig. 4 is a sectional view of a device for performing the procedural procedure similar to the device of FIG. 3, but now in a different embodiment.

In Fig. 1 entspricht der Ausgangspunkt F = 0 und x = 0 dem Zustand, dass ein Eindringkörper 36 mit der Prüfkraft 0 die Oberfläche eines Werks tücks 28 gerade berührt, seine Ortskoordinate ist x = 0. Nun wird die Kraft monoton und stetig erhöht auf den Wert Fmax. Diese Erhöhung ist in Fig. 1 kontinuierlich dargestellt, sie kann aber auch in Schritten erfol gen. Mit zunehmender Prüfkraft dringt der Eindringkörper 36 immer weiter in das zu prüfende Werkstück 28 ein, dies erfolgt entlang des Astes 20 und in Richtung des eingezeichneten Pfeils.In Fig. 1, the starting point F = 0 and x = 0 corresponds to the state that an indenter 36 with the test force 0 just touches the surface of a workpiece 28 , its location coordinate is x = 0. Now the force is monotonously and steadily increased the value Fmax. This increase is shown continuously in FIG. 1, but it can also take place in steps. As the test force increases, the indenter 36 penetrates further and further into the workpiece 28 to be tested, this takes place along the branch 20 and in the direction of the arrow shown.

Ist die maximale Prüfkraft Fmax erreicht, ist der Eindringkörper 36 bis x = h eingedrungen. Die Prüfkraft bleibt noch für eine gewisse Zeitspanne, die als zweite Zeitspanne t2 bezeichnet wird, aufrechterhalten. Die Zeitspanne t2 darf auch den Wert null haben. Danach wird die Prüfkraft wieder abge senkt, es erfolgt eine Rückbewegung des Eindringkörpers 36, die jedoch nicht bis zum ursprünglichen Nullpunkt x = 0, sondern bis x = h' zurück geht. Dies ist aus dem Zweig 22 und der entsprechenden Pfeilrichtung er sichtlich. Die Geschwindigkeit beim Ausdringen entspricht im wesentlichen derjenigen beim Eindringen. Die Geschwindigkeit bei der Entlastung kann allerdings wesentlich größer sein als die während des Eindringvorgangs. Sie wird begrenzt durch die zur Auswertung dienenden Mittel, wie Daten speicherung, Rechner und Meßgeräte.If the maximum test force Fmax is reached, the indentor has penetrated 36 to x = h. The test force is maintained for a certain period of time, which is referred to as the second period of time t2. The time period t2 may also have the value zero. Thereafter, the test force is reduced again, there is a return movement of the indenter 36 , which, however, does not go back to the original zero point x = 0, but to x = h '. This is evident from branch 22 and the corresponding arrow direction. The speed of penetration is essentially the same as that of penetration. However, the speed of the relief can be much greater than that during the penetration process. It is limited by the means used for evaluation, such as data storage, computers and measuring devices.

Die zwischen den Zweigen 20, 22 und der x-Achse eingeschlossene Fläche, die schraffiert dargestellt und mit Wp bezeichnet ist, ist die plastische Verformungsenergie. Der elastische Anteil der Verformungsenergie ist mit We in der Figur dargestellt. Er entspricht der Fläche zwischen dem Ast 22, der x-Achse (zwischen h' und h) und einer Parallelen zur F-Achse durch x = h.The area enclosed between the branches 20 , 22 and the x-axis, which is shown hatched and designated Wp, is the plastic deformation energy. The elastic part of the deformation energy is shown with We in the figure. It corresponds to the area between the branch 22 , the x-axis (between h 'and h) and a parallel to the F-axis through x = h.

In der Fig. 1 ist strichpunktiert noch der Fall dargestellt, dass während der zweiten Zeitspanne t2 ein Kriechen unter Last stattfindet. Die Ein dringtiefe nimmt dann noch etwas zu bis x = h + d = H. Der entsprechende zusätzliche Anteil an der Verformungsenergie ist in Fig. 1 ersichtlich durch ein schmales, hochstehendes Rechteck. Dessen Flächeninhalt, der angenähert gleich d.Fmax ist, wird bei der Integration; also der Berech nung der plastischen Verformungsenergie automatisch berücksichtigt. Er bewirkt eine Verringerung des ermittelten Härtewertes. Anders ausgedrückt ist die plastische Verformungsenergie Wp umso größer, je stärker das Krie chen unter Last ist. Das wirkt sich jedoch bloß auf die absoluten Härte werte aus. Die relativen Härtewerte sind, bei einem gegebenen Werkstoff, unabhängig von der Haltezeit th, ein Umstand, der die Vickers-Schnellprü fung, th ≈ O, praktisch möglich gemacht hat. In FIG. 1, the case is shown in dash-dotted lines that creeping under load takes place during the second time period t2. The penetration depth then increases somewhat until x = h + d = H. The corresponding additional portion of the deformation energy can be seen in FIG. 1 by a narrow, upright rectangle. Its area, which is approximately equal to d.Fmax, is used during integration; the calculation of the plastic deformation energy is automatically taken into account. It causes a reduction in the determined hardness value. In other words, the greater the creep under load, the greater the plastic deformation energy Wp. However, this only affects the absolute hardness values. The relative hardness values are, for a given material, regardless of the holding time th, a circumstance that has made the Vickers rapid test, th ≈ O, practically possible.

Bei der Entlastung erfolgt der Rückweg entlang des Zweigs 23 bis zu x = H'. Die Kurven 22 und 23 verlaufen praktisch parallel.When relieving the load, the return path takes place along branch 23 up to x = H '. The curves 22 and 23 run practically parallel.

In Fig. 2 sind die Vorgänge nun über der Zeit t dargestellt. Man erkennt, dass zum Zeitpunkt t = 0 die Prüfkraft F = 0 vorliegt. Sie wird nun wäh rend der ersten Zeitspanne t1 auf den Wert Fmax gesteigert. Die maximale Prüfkraft Fmax wird für die zweite Zeitspanne t2, der Haltezeit, aufrecht erhalten. Während einer dritten Zeitspanne t3, der Ausdringzeit, erfolgt die Rückbewegung. Nach Ablauf der Zeitspanne t3 kann während einer Zeit spanne t4 (vierte Zeitspanne) die Ortsveränderung (oder Geschwindigkeit) des Eindringkörpers 36 erfaßt werden.In Fig. 2, the processes are now shown over time t. It can be seen that the test force F = 0 is present at the time t = 0. It is now increased to the value Fmax during the first time period t1. The maximum test force Fmax is maintained for the second period t2, the holding time. The return movement takes place during a third time period t3, the penetration time. After the period t3 has elapsed, the change in location (or speed) of the indenter 36 can be detected during a period t4 (fourth period).

Je nach dem Auswertungssystem kann man entweder in Echtzeit arbeiten, das heißt die Integration findet während des Belastungszyklus statt, oder die Funktion nach Fig. 1 wird einem Datenspeicher eingespeist und dann anschließend "in aller Ruhe" ausgewertet.Depending on the evaluation system, one can either work in real time, that is to say the integration takes place during the load cycle, or the function according to FIG. 1 is fed into a data memory and then subsequently evaluated "in peace".

Fig. 3 zeigt schematisch eine an sich bekannte Vorrichtung für die Erfas sung eines Eindringvorgangs und Rückfederungsvorgangs eines Eindring körpers 36 mit vorgegebener Prüfkraft in ein Werkstück. Mit 24 ist ein im wesentlichen C-förmiges Gestell einer ansich bekannten Meßvorrichtung angedeutet. Sie hat eine Auflage 26, die vorzugsweise mit einer Haltevor richtung versehen ist, für ein Werkstück 28. Gegenüberliegend am oberen Flansch des Gestells 24 ist eine Antriebseinheit 30 vorgesehen, die einen axial verschiebbaren Stempel 32 in Richtung des Pfeils 34 beim Eindring vorgang und in Gegenrichtung hierzu beim Rückfederungs- bzw. Entla stungsvorgang bewegen kann. Auf ihre Steuerung wird noch eingegangen. Am unteren Ende des Stempels 32 befindet sich der Eindringkörper 36, der hier in Kontakt mit der Oberfläche des Werkstücks 28 dargestellt ist. Fig. 3 shows schematically a known device for the detection of a penetration and resilience of a penetration body 36 with a given test force in a workpiece. With 24 an essentially C-shaped frame of a known measuring device is indicated. It has a support 26 , which is preferably provided with a Haltvor direction, for a workpiece 28th Opposite the upper flange of the frame 24 , a drive unit 30 is provided which can move an axially displaceable punch 32 in the direction of arrow 34 upon penetration and in the opposite direction during the springback or discharge process. Their control will still be discussed. At the lower end of the punch 32 is the indenter 36 , which is shown here in contact with the surface of the workpiece 28 .

Im Stempel ist einerseits ein Kraftsensor 38 bekannter Bauart vorgesehen, andererseits ist ihm berührungsfrei ein Geschwindigkeitssensor 40 zuge ordnet. Beide Sensoren 38, 40 liefern jeweils ein elektrisches Signal an eine Leitung 42 bzw. 44.On the one hand, a force sensor 38 of a known type is provided in the stamp, on the other hand, a speed sensor 40 is assigned to it without contact. Both sensors 38 , 40 each deliver an electrical signal to lines 42 and 44, respectively.

Die Antriebseinheit 30 hat vorzugsweise einen Elektromotor (nicht darge stellt), der über eine Steuerelektronik 46 angesteuert ist. In dieser befin den sich auch alle Bauteile für die Steuerung des gesamten Meßablaufs, vorzugsweise ist in der Steuerelektronik 46 ein Mikroprozessor enthalten. Er kann die nachfolgend beschriebenen Rechenoperationen durchführen, die in der Figur zur Vereinfachung des Verständnisses einzelnen Funktions blöcken zugeordnet sind.The drive unit 30 preferably has an electric motor (not shown), which is controlled by control electronics 46 . In this are also all components for the control of the entire measuring sequence, preferably a microprocessor is contained in the control electronics 46 . He can carry out the computing operations described below, which are assigned to individual function blocks in the figure to simplify the understanding.

Die beiden Leitungen 42, 44 liegen eingangsseitig an einem elektronischen Baustein 48, der ein Multiplizierer ist, an. Er wird von der Steuerelektro nik 46 angesteuert, beispielsweise getaktet, und gibt ausgangsseitig über eine Leitung 50 das Produkt aus Kraft mal Geschwindigkeit, also die me chanische Leistung, aus.The two lines 42 , 44 are on the input side of an electronic module 48 , which is a multiplier. It is controlled by the control electronics 46 , for example clocked, and outputs the product of force times speed, that is to say the mechanical power, via a line 50 on the output side.

Dieses Ausgangssignal der Leitung 50 liegt nun an einem Baustein 52, der ein elektronischer Integrierer ist, an. Er führt die Integration der Lei stung über der Zeit durch. Er wird ebenfalls von der Steuerelektronik 46 angesteuert. An seiner Ausgangsleitung 54 liegt eine Spannung an, die der plastischen Verformungsenergie Wp proportional ist.This output signal of line 50 is now present at a module 52 , which is an electronic integrator. He integrates the performance over time. It is also controlled by the control electronics 46 . A voltage is present at its output line 54 which is proportional to the plastic deformation energy Wp.

Diese Ausgangsleitung 54 bildet wiederum den Eingang für eine Rechner stufe 56, die ebenfalls mit der Steuerelektronik 46 verbunden ist und in der die der plastischen Verformungsenergie Wp proportionale Spannung in der Ausgangsleitung 54 umgewandelt wird in eine der Härte H proportiona le Spannung, die an der Ausgangsleitung 58 anliegt. Diese Spannung wird mittels einer Anzeigeeinheit 60 dargestellt. Sie kann gespeichert, einem Drucker zugeführt werden usw.This output line 54 in turn forms the input for a computer stage 56 , which is also connected to the control electronics 46 and in which the plastic deformation energy Wp proportional voltage in the output line 54 is converted into a hardness H proportional voltage applied to the output line 58 is present. This voltage is shown by means of a display unit 60 . It can be saved, fed to a printer, etc.

Wenn das Prüfgerät sowohl für Härte- als auch für E-Modulmessungen be nutzt werden soll, muß es über Mittel verfügen, die es erlauben, die axiale Verschiebung des Werkstücks bei Belastung und Entlastung laufend zu mes sen. Am einfachsten geschieht das mittels eines Hilfssensors, der mit dem Werkstück in der Nähe des Eindringkörpers Kontakt macht, wobei die von ihm gemessene Verschiebung von der Gesamtverschiebung abzuziehen ist.If the tester is used for both hardness and modulus measurements to be used, it must have means that allow the axial Movement of the workpiece continuously during loading and unloading to mes sen. The easiest way to do this is with an auxiliary sensor that works with the Workpiece in the vicinity of the indenter makes contact, the of the displacement measured by him is to be subtracted from the total displacement.

Auch in Fig. 4 ist mit 24 ein im wesentlichen C-förmiges Gestell einer ansich bekannten Meßvorrichtung dargestellt. Gleiche Bezugsziffern wie in Fig. 3 bezeichnen gleiche Teile der Meßvorrichtung. Im folgenden wird im wesentlichen auf die Unterschiede zur Meßvorrichtung nach Fig. 3 einge gangen. Die Antriebseinheit 30 hat einen Elektromotor 62, der im Sinne der Pfeile 34 einen Bolzen 64 axial bewegt. Dieser drückt über den Kraftsensor 38 auf den Stempel 32. Der Stempel 32 ist von einem Hüllrohr 66 umgeben, das gleichachsig mit ihm ist. Es ist axial verschiebbar und dient in seinem unteren, mit einem kleineren Durchmesser versehenen zylindrischen Bereich zum Einspannen des Werkstücks 28.Also in FIG. 4, an essentially C-shaped frame of a measuring device known per se is shown at 24 . The same reference numerals as in Fig. 3 denote the same parts of the measuring device. In the following, the differences to the measuring device according to FIG. 3 will be discussed. The drive unit 30 has an electric motor 62 which axially moves a bolt 64 in the direction of the arrows 34 . This presses on the punch 32 via the force sensor 38 . The punch 32 is surrounded by a cladding tube 66 which is coaxial with it. It is axially displaceable and serves in its lower cylindrical region, which is provided with a smaller diameter, for clamping the workpiece 28 .

Es sind zwei induktiv arbeitende Verschiebungsmesser, also Wegmesser, vorgesehen, nämlich der untere Wegsensor 68 mit einem am Stempel 32 be festigten permanent magnetischen Kern und einer gestellfesten Spule und ein oberer Wegsensor 70 mit ebenfalls einer gestellfesten Spule, der per manent magnetische Kern ist jedoch nunmehr am Hüllrohr 66 befestigt. Das Hüllrohr wird durch eine Feder 72 elastisch gegen das Werkstück vorbela stet. In einem Kopfstück 74 sind kugelgelagert der Stempel 32 und das Hüllrohr 66 axial verschiebbar angeordnet. Ein Ringstück 76 bildet im un teren Bereich eine Führung für das Hüllrohr mittels Kugeln und eine Füh rung des Stempels 32 in diesem Hüllrohr 66, wiederum mit Kugeln, aus.There are two inductively working displacement meters, i.e. displacement meters, namely the lower displacement sensor 68 with a permanent magnetic core attached to the punch 32 and a frame-fixed coil and an upper displacement sensor 70 with a frame-fixed coil, which, however, is now a permanent magnetic core attached to the cladding tube 66 . The cladding tube is preloaded elastically against the workpiece by a spring 72 . The punch 32 and the cladding tube 66 are arranged axially displaceably in a head piece 74 with ball bearings. A ring piece 76 forms in the lower region a guide for the cladding tube by means of balls and a guide of the punch 32 in this cladding tube 66 , again with balls.

Bei einer Messung verschiebt sich das Werkstück 28 ein wenig in axialer Richtung, wenn die Belastungskraft wirksam wird. Diese kleine Verschie bung xp wird von dem oberen Wegsensor 70 gemessen und wird von der vom unteren Wegsensor 68 aufgenommenen Stempelverschiebung x abgezo gen. Dem Rechner wird also der Verschiebungswert x-xp zugeführt. Für die reine Härteprüfung ist dies nicht erforderlich.During a measurement, the workpiece 28 shifts a little in the axial direction when the loading force becomes effective. This small displacement xp is measured by the upper displacement sensor 70 and is subtracted from the stamp displacement x recorded by the lower displacement sensor 68. The displacement value x-xp is thus fed to the computer. This is not necessary for the pure hardness test.

Claims

1. Method for quasi-static testing of the hardness of a workpiece ( 28 ), in which an indenter ( 36 )

1. is pressed into the workpiece ( 28 ) along a penetration path with a test force which, starting from the test force zero, rises to the test force Fmax within a predetermined, first time period (penetration time),
2. is held at this value Fmax for a predetermined, second time period (holding time), and
3. is then moved back along a return path within a third period of time (relief time) until the test force drops back to zero,
4. that the effective force is measured along the penetration path and along the return path,
5. that either the distance covered by the test specimens or the speed of the test specimen is determined along the penetration path and the return path, and
6. that from the difference: path integral of the effective force during the penetration time minus path integral of the effective force during the relief time, an energy quantity W is obtained which is reciprocal to a power function of hardness and which is converted into a hardness value H.

2. The method according to claim 1, characterized in that one additionally determines the sample module Ep * = E / (1-v ² ) by means of energy measurement, where v is the Poisson number.

3. The method according to claim 1, characterized in that the won ne energy quantity W is the plastic deformation energy Wp and that the hardness H is calculated from this and the maximum test force Fmax is calculated according to the formula H = K.f (Fmax, Wp), i.e. the hardness depends only on Fmax and Wp.

4. The method according to claim 3, characterized in that the Vickers hardness HV is calculated according to:
HV = K. (Fmax) ^a . (Wp) ^-b (1)
where K is a constant, preferably: a = 1.5.b and in particular a = 2.48 and b = 1.65.

5. The method according to claim 3, characterized in that the hardness H is calculated according to:
H = K1. (Fmax) ^a . (Wp) ^-b (1 ')
where K1 is a constant, the following also applies:
2 ≦ a ≦ 3 and 1.3 ≦ b ≦ 2,
in particular 2.2 <a <2.8 and 1.2 <b <1.8
and preferably a about 5/2 and b about 5/3.

6. The method according to claim 5, characterized in that a = 3 and b = 2 and that with these values a new hardness scale for the slide mantpyramide after Vickers is created.

7. The method according to claim 1, characterized in that following the penetration time t3 with a test force that is as low as possible, in particular close to zero, a change in location of the indenter ( 36 ) is detected for a certain period of time (fourth period).

8. The method according to claim 1, characterized in that the penetration process takes place so slowly that the kinetic energy of the penetration process neglected compared to the plastic deformation energy can be.

9. The device for carrying out the method according to claim 1, characterized in that it has the following: a test device with an indentor ( 36 ) which is connected to an evaluation electronics, the test device a) a loading mechanism, b) a displacement meter ( 40 ) for detecting location or speed and c) has a dynamometer ( 38 ) and the evaluation electronics comprises an integrating circuit ( 52 ) for determining the path integral of the test force or the time integral of the power.

10. The device according to claim 9, characterized in that the test advises also has a facility for time recording.