DE2737554A1

DE2737554A1 - Vorrichtung zur haertepruefung

Info

Publication number: DE2737554A1
Application number: DE19772737554
Authority: DE
Inventors: Toshio Honda; Hiroshi Okuda; Junpei Tsujiuchi
Original assignee: Seiko Instruments Inc
Current assignee: Seiko Instruments Inc
Priority date: 1976-08-19
Filing date: 1977-08-19
Publication date: 1978-03-09
Also published as: GB1563570A; CH617772A5; US4147052A

Description

Vorrichtung zur Härteprüfung

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Härteprüfung gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.

Die Härteprüfung nach Vickers wird in großem Umfang angewandt, um metallische Materialien oder dergleichen auf ihre Härte zu prüfen. Bei dieser Härteprüfung wird eine Belastung langsam auf die zu prüfende Oberfläche einer Probe aufgebracht, wobei eine viereckige, pyramidenförmige Diamant-Erüfspitze verwendet wird, wie nachfolgend unter_ Bezugnahme auf Figur 1 beschrieben ist. Dabei wird der Wert

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für die Harte der Probe als Quotient der angelegten Last, dividiert durch die Oberfläche der verbleibenden Vertiefung angegeben, die nach Entfernung der Belastung bleibt. Wenn, wie nachstehend noch näher angegeben wird, die gleiche Vertiefung bzw. der gleiche Einschnitt von zwei Personen gemessen wird, ergibt sich eine tatsächliche Differenz natürlich aufgrund der Messung durch zwei Personen. «

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Härteprüfung zu schaffen, welche die angegebenen Nachteile bekannter Härteprüfungsverfahren vermeidet. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des Hauptanspruchs gelöst. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den UnteranSprüchen.

Die Erfindung schafft eine Vorrichtung zur Härteprüfung, mit der die Härte einer Probe dadurch ermittelt wird, daß eine polygone, pyramidenförmige Vertiefung unter Verwendung einer Prüfspitze hervorgerufen wird und indem eine Einrichtung zur Messung der diagonalen Länge der Vertiefung verwendet wird. Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist einen Bildwandler auf, der mehrere lichtelektrische Wandlerelemente enthält, die auf einem Teil einer abbildenden Ebene vorgesehen sind, auf der bzw. auf dem ein helles und ein dunkles Bild der Vertiefung durch optische Mittel gebildet wird. Eine weitere Einrichtung dient zur Erfassung bzw. Messung der Diagonallänge der Vertiefung abhängig vom Ausgangssignal des Bildwandlers. Durch die Erfindung wird eine verbesserte Vor- . richtung zur Härteprüfung geschaffen, die eine exakte Härteprüfung durch Verringerung der durch die die Messung aus-

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Messungen ermöglicht. Außerdem wird mit der erfindungsge-

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mäßen Vorrichtung eine Härtemessung durchführbar, bei der die Beanspruchung der Bedienungspersonen wesentlich reduziert ist . Die erfindungsgemäße Vorrichtung misst auf lichtelektrischem bzw. photoelektrischem Weg die diagonale Länge der auf einer Probe ausgebildeten Vertiefung bzw. Einkerbung.

Im folgenden wird eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Härteprüfung zur Erläuterung weiterer Merkmale anhand von Zeichnungen beschrieben.

Es zeigen:

Fig. 1a eine Perspektivansicht eines Teils

einer Diamant-Prüfspitze,

Pig. 1b eine Seitenansicht und Aufsicht zur

Veranschaulichung des Verhältnisses zwischen einer Prüfspitze und einer Probe,

Fig. 2a, b und c Ansichten zur Verdeutlichung der Beziehung zwischen den Bezugslinien und dem Bild einer Vertiefung,

Fig. 3 ein Blockschaltbild der erfindungsge

mäßen Vorrichtung,

Fig. 4 eine Ansicht zur Verdeutlichung der

Beziehung zwischen dem Bild der Vertiefung auf der Abbildungsebene und einem Bildwandler,

Fig. 5a eine Ansicht der Abbildungsebene, wobei

der Bildwandler" in Ϊ-Mchtuhg angeordnet' Fig. 5b eine Ansicht der Bildebene, wobei der Bild

wandler in Y-Richtung angeordnet ist,

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Flg. 6 ein Wellenformdiagramm des Ausgangs signal ε

des Bildwandlers entsprechend den hellen und dunklen Abschnitten des Vertiefungsbereichs, und

Fig. 7 ein Wellenformdiagramm des Ausgangssignals des Bildwandlers entsprechend den hellen und dunklen Abschnitten im Eckbereich.

Gemäß Fig. 1a wird bei den Härteprüfungen nach Vickers eine Last auf die Testoberfläche der Probe 2 aufgebracht, wobei eine vierseitige pyramidenförmige Diamant-Prüfspitze angewandt wird, deren Flächenwinkel θ entsprechend Fig. 1a 136° beträgt. Durch diese Belastung wird eine Einkerbung 3 auf der Oberfläche hervorgerufen, die im folgenden als Vertiefung bezeichnet ist. Der Härtewert der Probe ist als Quotient aus der angelegten Last und der Oberfläche der verbleibenden Vertiefung definiert, die nach Entfernung der Belastung in der Probe verbleibt. Wenn die angelegte Last P Kilogramm beträgt und die diagonale Länge d der Vertiefung 3 in Millimeter gemessen wird, dann ergibt sich die Vickers-'. Härte HV gemäß folgender Gleichung:

HV = 2P/d² sin 68°= 1.854 P/d² |~Kg/mm² j

Nach einem anderen Vickeis -Härteprüfverfahren, beispielsweise nach dem Mikro-Vickeis -Härteprüfungsverfahren, welches im großen Umfang angewandt wird, wird die Messung dadurch ausgeführt, daß - nachdem eine Diamant-Prüfspitze 1 des Belastungsmechanismus der Prüfvorrichtung eine Eindruckkraft auf die Probe 2 ausgeübt hat und auf diese Weise eine Vertiefung, d.h^ein, Eindruck,?-ausgebildet~ist~-.die^Prüf ^,

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spitze 1 durch ein Messmikroskop ersetzt wird, wobei dessen Revolver verwendet wird und die Probe 2 nicht bewegt wird. Entsprechend Fig. 2a fallen die diagonalen Eckpunkte 3a, 3b der Vertiefung bzw. des Eindrucks 3, der auf der Eindruckfläche der Probe ausgebildet wurde, mit den Ecken jeder Bezugslinie 4a, 4b zusammen, die in ein Glas in der Brennebene des Okkulars des Mikroskops in dem visuellen Bereich desselben durch ein vorgegebenes Verfahren eingeprägt sind, 'so daß auf diese Weise die diagonale Länge d des Eindrucks 3 gemessen werden kann. Wenn die Bedienungsperson feststellt, daß die Ecken 3a, 3b des Eindrucks 3 mit den Ecken aller Bezugslinien 4a, 4b in dem Beobachtungsbereich des Mikroskops übereinstimmen, dann ändert sich die Position der Übereinstimmung bei jeder Messung aufgrund der Form der Bezugslinien, der Größe des Eindrucks 3 und dem physischen Zustand der Bedienungs person. Weitere Abweichungen ergeben sich an den sich deckenden Positionen der Kanten der Bezugslinien 4a, 4b mit den Kanten bzw. Eckpunkten 3a und 3b des Eindrucks 3 aufgrund eines Fehlers durch die Bedienungsperson, wie dies aus Fig. 2b und 2c hervorgeht. Wenn daher zwei Personen den gleichen Eindruck messen, ergibt sich eine unterschiedliche Differenz, die natürlich auf Fehler durch die betreffende Personen zurückzuführen sind. Somit können bei den Vorrichtungen zur Vickers Härtemessung aufgrund der üblichen Sichtmessungen die Positionen der Übereinstimmung zwischen den Eindruck-Ecken 3a und 3b mit den Kanten der Bezugslinien 4a und 4b deswegen nicht konstant definiert werden, weil eine Parallaxe der Bedienungsperson selbst oder eine Parallaxe bei den unterschiedlichen Bedienungspersonen auftritt, oder auch wegen des physischen Zustande der betreffenden Person, so daß bei den bekannten Verfahren zur Härteprüfung beträchtliche Fehler auftreten

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Im folgenden wird eine "bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Härteprüfung beschrieben, die sich bei der Vickers -Härteprüfung anwenden lässt.

In Fig. 3 ist das Grundprinzip der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Vickers -Härteprüfung dargestellt. Nach Pig. ist ein Prüfling, beispielsweise ein metallisches iiaterial, mit 5 bezeichnet, auf dessen Oberfläche ein vierseitiger, pyramidenförmiger Eindruck 6 dadurch ausgebildet wird, daß eine Diamant-Prüfspitze durch eine Belastungseinheit der Vorrichtung zur Härteprüfung auf den Prüfling gedrückt wird; außerdem befindet sich der Prüfling 2 direkt unter einem Objektiv 7» so daß ein vergrößertes Bild des Eindrucks 6 erhalten wird. Mit 8 ist das Beleuchtungssystem bezeichnet, welches eine deutliche helle und dunkle Differenz zwischen dem Eindrucksabschnitt und dem diesen umgebenden Bereich erzeugt; die Beleuchtungseinrichtung 8 besteht aus einer Wolfram-Lampe bzw. Punktlichtlämpe 9» Linsen 10 und 11, einem Prisma 12 und einem Strahlenteiler 13· Das von der Wolframlampe 9 ausgestrahlte Licht beleuchtet den Eindrucksabschnitt, der auf der Oberfläche des Prüflings ausgebildet ist, sowie den diesen Eindrucksabschnitt umgebenden Bereich, in. dem das. Licht durch die Linse 10, das Prisma und die Linse 11 gelangt; dann wird das Licht an dem Strahlenteiler 13 reflektiert und gelangt durch das Objektiv 7· Das von dem Eindruck 6 und dem diesen Eindruck umgebenden Bereich 6a reflektierte Licht wird nach dem Durchgang durch das Objektiv 7 und dem Strahlenteiler 13 zu einem weiteren Strahlenteiler 14 geführt. Das von letzterem Strahlenteiler reflektierte Licht gelangt zu einem Okular 15- Das durch den Strahlenteiler 14 gehende Lichtbündel wird in einen nach-

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folgenden Strahlenteiler 16 geführt; das von diesem Strahlenteiler 16 reflektierte Lichtbündel gelangt zu einer 1. Bildebene 17» während das durch den Strahlenteiler 16 hindurchgehende Lichtbündel zu einer 2. Bildebene 18 gelangt. Demzufolge werden die Bilder, d.h. genau gesagt, die Abbildungen der Eindrücke genau in die dunklen Bilder für die geneigten Flächen des Eindrucks 6 und in helle Bilder für den den Eindruck 6 umgebenden Bereich 6a in die Ebenen 17 und 18 projeziert und können dort mit dem Okular 15 beobachtet werden. Mit 19 und 20 sind Bildwandler bezeichnet, die jeweils aus einer Anordnung von Fotodioden, ladungsgekoppelten Speichern oder dergleichen bestehen. Auf der fotoempfxndlichen Fläche des Bildwandlers sind in linearer Anordnung mehrere Elemente 19a vorgesehen, die in enger Anordnung unter Einhaltung eines vorbestimmten Intervalls in Richtung der Breite entsprechend Fig.4 angeordnet sind. Dieser Bildwandler 19 liegt derart in der Bildebene 17« so daß er den hellen und den dunklen Abschnitt des Eindrucksmusters projeziert und die Mittellinie 1, die eine gedachte, jeden Mittelpunkt des Elements entsprechend Fig. 4 miteinander verbindende Linie ist, wird vorher in entsprechende Lage zur Richtung der Bezugslinien gebracht, die in die Glasplatte eingepresst sind, welche in der Brenn- oder Fokalebene des Okulars 15 liegt. Dann fixiert die Bedienungsperson die Position der Diagonallinie der Abbildung 23 des Eindrucks gegenüber den Bezugslinien dadurch, daß die Bedienungsperson in das Okular 15 hineinblickt. In der 1. Bildebene der Abbildungsebene 17 fällt die Diagonallinie d^ der X-Richtung der Abbildung 23 des Eindrucks, der in diese Ebene projeziert ist, mit der Mittellinie 1 des Bildwandlers 19 (vgl. Fig. 5a) zusammen. An dem Abschnitt 18 der 2. abbildenden Ebene fällt die Diagonallinie d₂ der Y-Richtung der Abbildung 24 des Eindrucks, der in diese Ebene proje-

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ziert wird, mit der Mittellinie 1 des Bildwandlers 20 zusammen, wie aus Hg. 5b hervorgeht. Die Bildwandler 19 und 20 werden durch eine Steuerschaltung oder Kontrollschaltung 21 zusammen gesteuert. Die Ausgangssignale, die der Lichtintensität entsprechen, mit welcher jedes lichtempfindliche Element der Bildwandler 19 und 20 bestrahlt wird, wird einer Recheneinheit 22 synchron mit dem Taktsignal in Serienfolge zugeführt. Diese Videoausgangssignale, d.h. die Ausgangssignale, welche den Ausgangssignalen der Diagonallinie d,. der X-Richtung entsprechen und vom Bildwandler 19 abgegeben werden, sowie die Ausgangssignale der für die Diagonallinie do der Y-Bichtung, die vom Bildwandler 20 erzeugt werden, werden in die Recheneinheit 22, beispielsweise einen Minicomputer, eingegeben, der die Rechenoperation in der noch zu beschreibenden Weise ausführt.

Bei dem beschriebenen Aufbau der Vorrichtung zur Härteprüfung erzeugt die Beleuchtungseinrichtung 8 Abbildungen von den Eindrücken; im folgenden wird als Beispiel die auf die erste Ebene 17 projezierte Abbildung beschrieben; die Ausgänge jedes Elements 19a an der fotoempfindlichen Fläche des Bildwandlers 19 erzeugen Wellenformen für dieses Ausgangssignal, welche den hellen und dunklen Bereichen auf der Bildebene entsprechen, wie dies in Figur 6 gezeigt ist. Dies bedeutet, daß die Wellenformen, die am Ausgang jedes Elements 19a erzeugt werden und die vollständig in dem Bild, d.h. genau gesagt, in der Abbildung 23 des Eindrucks liegen und sich somit im dunklen Bereich befinden, klein sind, während die Wellenformen, die gegenüber dem Bild 23 des Eindrucks abweichen, d.h. dem Bereich außerhalb des Eindrucks entsprechen, groß sind, d.h. eine hohe Amplitude liefern, wie aus Fig. 7Junten^ hervorgeht. Die Wellenformen ,

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für das Ausgangssignal jedes Elements 19a, welches sich in der Nähe der Kante der Abbildung 23 des Eindrucks befindet, hat Mittelwerte zwischen den beiden vorgenannten Signalwerten. Diese Ausgangssignale werden in zwei Helligkeit s- und Dunkelwerte mit einem vorbestimmten Schwellenwert klassifiziert und die beschriebene Rechenoperation wird ausgeführt, so-daß die Breite des dunklen Abschnitts, d.h. die diagonale Länge des Eindrucks normalerweise erhalten werden kann. Wenn die Diagonallänge genauer benötigt wird, wird die Neigung der Auegangswellen jedes Elements 19a verwendet, wobei diese Wellen in der Nähe der Ecke der Abbildung 23 des Eindrucks liegen und die Abbildung 23 la der Ebene 17 liegt. Die Wellenformen, die am Ausgang jedes Elements 19a erhalten werden, wobei diese Elemente in der Nähe der Ecke bzw. Kante liegen, werden fotoelektrisch in entsprechende Werte umgewandelt, die den mittleren Werten zwischen dem dunklen Eindrucksbereich 23 und dem letzteren umgebenden hellen Bereich entsprechen. Infolgedessen wird die Höhe der Ausgangswellen, d.h. die Amplitude der Ausgangswellen jedes Elements 19a, welches in der Nahe der Ecke der Abbildung 23 des Eindrucks liegt, eine Neigung hervorrufen. Dann werden beispielsweise einige der Elemente 19a, welche eine Neigung der Ausgangswellen hervorrufen, in geeigneter' Weise ausgewählt und die vorbeschriebene Rechenoperation bezüglich der Neigung derselben wird ausgeführt, woraufhin die Endpunkte der Neigung, d.h. die Spitzenpunkte der Diagonale der Abbildung 23 des Eindrucks ermittelt werden können ; auch die Diagonallänge d^ für die Abbildung 23 des Eindrucks lässt sich in X-Richtung sehr genau erhalten. Hinsichtlich der Abbildung 24, die in die 2. Bildebene 18 projeziert wird, lässt sich die Diagonallänge dg der Abbil-

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Verfahrensweise erhalten, wie dies in Bezug auf die X-Bichtung erläutert ist. Wenn daher die oberen bzw. Spitzenpunkte der Ecke des Bildes 18 oder 19 des Eindrucks aus irgendeinem Grund weggebrochen sind oder die Spitzenpunkte für die Ecke zufällig auf die gleichen Intervallabschnitte zwischen den Elementen 19a fallen, dann lässt sich die Diagonallänge d^ oder dp der Abbildung 23 oder 24 in exakter Weise berechnen.

Bei der beßchriebenen Ausführungsform müssen die Einstellpositionen der Bildwandler in jeder Bildebene mit jeder Diagonallinie der Abbildungen für den Eindruck übereinstimmen bzw. zusammenfallen, jedoch muß dieses Zusammenfallen nicht unbedingt der Pail sein. Wenn beispielsweise die Form des Eindrucks ungleichmäßig oder durch eine teilweise ungleiche Härte des Prüflings unsymmetrisch wird, wie dies beispielsweise bei metallischen Materialien oder dergleichen der Fall sein kann, können die Einstellpositionen der Bildwandler in jeder Bildebene in angemessener Weise auf optimale Positionen für die Nessung geändert werden.

Bei der beschriebenen Vorrichtung zur Härtemessung wird die Abbildung des Eindrucks bzw. der Vertiefung optisch in mehrere Abschnitte unterteilt und diese Abbildungen werden auf jede Bildebene projeziert, in welcher bzw.an welcher jeder bandförmige Bildwandler getrennt vorgesehen ist, damit die Form des Eindrucks erhalten wird; daher sind Messfehler bezüglich dieses Eindrucks äußerst klein und es lasst sich eine sehr genaue Härteprüfung ausführen.

Durch die erfindungsgemäße Vorichtung zur Härteprüfung lassen sich somit Fehler, die durch die Bedienungspersonen

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selbst hervorgerufen werden, sowie Fehler aufgrund verschiedener Bedienungspersonen, die bei den bekannten Vorrichtungen zur Härteprüfung nach dem Vickers -Verfahren aufgrund visueller Messungen auftreten können, vermeiden. Darüber hinaus lässt sich die Beanspruchung der Bedienungsperson während der Messung bzw. während der Härteprüfung verringern.

Die Erfindung schafft eine Vorrichtung zur Härteprüfung mit einem Bildwandler- und einem Detektor-bzw. Mess-System. Der Bildwandler besteht aus einer Vielzahl von fotoelektrischen oder lichtelektrisehen Wandlerelementen, die in einer Bildebene angeordnet werden, auf welche eine helle und eine dunkle Abbildung des Eindrucks über ein optisches System abgebildet wird. Das Detektorsystem erfasst die Diagonallänge des Eindrucks durch Verwendung des Ausgangssignals des Bildwandlers.

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung lässt sich eine automatische Härteprüfung von Prüflingen ermöglichen.

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Claims

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TELEX: B2I73O

Meine Akte: D-4305

Kabushiki Kaisha Daini Seikosha, Tokyo , Japan

Pat ent an sprüche

( 1./Vorrichtung zur Härteprüfung eines Prüflings, mit einer Prüfspitze zur Erzeugung eines vielseitigen, pyramidenförmigen Eindrucks, und mit einer Einrichtung zum Hessen der Diagonallänge des Eindrucks, dadurch gekennzeichnet, daß ein Bildwandler (19, 20) vorgesehen ist, der mehrere lichtelektrische Wandlerelemente enthält, die in einer Bildebene (17» 18) angeordnet sind, auf welche über eine optische Einrichtung (9 bis 16) eine helle und dunkle Abbildung des Eindrucks abgebildet wird, und daß eine Einheit (22) zur Peststellung der Diagonallänge des Eindrucks abhängig vom Ausgangssignal des Bildwandlers vorgesehen ist.

2. Vorrichtung zur Härteprüfung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Prüfspitze (1) derart ausgebildet ist, daß ein vierseitiger, pyramidenförmiger Eindruck (6) im Prüfling (2) erzeugt wird.

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3. Vorrichtung zur Härteprüfung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandlerelemente geringe Breite aufweisen und in linearer Anordnung senkrecht zur Längsrichtung vorgesehen sind.

4. .Vorrichtung zur Härteprüfung nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Abbildungsebenen (17, 18) vorgesehen sind und daß in jeder Abbildungsebene ein Bildwandler (19» 20) angeordnet ist.

5. Vorrichtung zur Härteprüfung nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß durch die Anordnung der Wandler des Bildwandlers in einer Abbildungsebene eine Linie erzeugt wird, die mit einer Diagonalen des Eindrucks (6) zusammenfällt und daß die Mittellinie (1) des Bildsensors in der weiteren Abbildungsebene mit einer weiteren Diagonale des Eindrucks zusammenfällt.

6. Vorrichtung zur Härteprüfung nach wenigstens einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwei abbildende Ebenenabschnitte (17»18) erzeugt werden.

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