DE3830816A1

DE3830816A1 - Verfahren zur haertemessung

Info

Publication number: DE3830816A1
Application number: DE19883830816
Authority: DE
Inventors: Des Erfinders Auf Nennung Verzicht
Original assignee: AMSLER OTTO WOLPERT WERKE
Current assignee: Instron Corp
Priority date: 1988-09-09
Filing date: 1988-09-09
Publication date: 1990-03-22
Anticipated expiration: 2008-09-10
Also published as: DE3830816C2

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung der Härte eines Prüfkörpers, wobei eine Sonde in mechanische Schwin gungen versetzt wird und mit einem harten Sondenkopf vorgegebener Form unter vorgegebener Prüfkraft gegen den Prüfkörper gedrückt wird mit Messung der Resonanzfrequenz verschiebung δ f ₁ der an den Prüfkörper gedrückten Sonde im Vergleich zur freischwingenden Sonde. Ein derartiges Verfahren ist bekannt (DE-B-12 87 334). Die Resonanzfrequenz der mit dem Prüfkörper verkoppelten Sonde hängt von einer Reihe von Parametern ab, nämlich vom Radius der Kontakt spitze, von deren Elastizitätsmodul, vom Elastizitätsmodul des Prüfkörpers, von der Andruckkraft sowie von der Härte der Sonde sowie des Prüfkörpers. Werden sämtliche Parame ter bis auf einen einzigen, z.B. die Härte des Prüfkör pers, konstant gehalten, so läßt sich aus einer Änderung der Resonanzfrequenz der gesuchte Parameter, z.B. die Härte, berechnen. Die Voraussetzung, daß der Elastizitäts modul sich nicht ändert, bzw. daß dieser bei der zu untersuchenden Probe von vorneherein bekannt ist, ist in der Praxis so gut wie nie erfüllt. Es sind daher zusätzli che Vergleichsmessungen erforderlich, beispielsweise nach der Methode der Vickers-Härtebestimmung. Mit Hilfe von Proben bekannter Vickers-Härte werden die nach dem vorste hend beschriebenen Verfahren arbeitenden Geräte für bestimmte Werkstoffe oder Werkstoffgruppen kalibriert. Die vom Gerät später angezeigten durch Umrechnung ermittelten Härtewerte sind mit entsprechend großen Meßunsicherheiten behaftet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art bereitzustellen, welches eine direkte E-modulunabhängige Härtemessung ermöglicht.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß man bei einer zweiten Messung eine zweite variable Prüfkraft so ein stellt, daß der Sondenkopf eine vorgegebene zweite Ein druckoberfläche A ₂ im Prüfkörper erzielt, und bei dieser Prüfkraft eine zweite Resonanzfrequenzverschiebung δ f ₂ mißt, und daß man die der vorgegebenen ersten Prüfkraft zugeordnete erste Eindruckoberfläche A ₁ nach der folgenden Beziehung bestimmt:

Als Härte wird entsprechend allgemein üblicher Definition der Quotient aus der ersten Prüfkraft und der ersten Eindruckoberfläche definiert. Die erste Eindruckoberfläche A ₁ ergibt sich unmittelbar aus der angegebenen Beziehung, wobei die beiden Resonanzfrequenzverschiebungen sich aus der Messung ergeben und die Proportionalitätskonstante (A ₂) mit der vorgegebenen zweiten Eindruckoberfläche A ₂ identisch ist. Aufgrund der vorgegebenen Form des Sonden kopfes kann A ₂ mittelbar dadurch bestimmt werden, daß man die Eindringtiefe des Prüfkörpers unter der vorgegebenen zweiten variablen Prüfkraft kontrolliert.

Bevorzugt geht man erfindungsgemäß so vor, daß man zuerst die zweite Messung durchführt mit einer zweiten variablen Prüfkraft, welche wesentlich kleiner ist als die erste vorgegebene Prüfkraft. Es läßt sich dann unmittelbar die erste Messung anschließen durch entsprechende Steigerung der Prüfkraft bis zum Wert der ersten Prüfkraft.

Bevorzugt geht man hierbei so vor, daß man die zweite variable Prüfkraft so einstellt, daß der Sondenkopf eine der vorgegebenen zweiten Eindruckoberfläche entsprechende Eindringtiefe im Prüfkörper erzielt. Erfindungsgemäß muß also lediglich die zweite Prüfkraft so lange erhöht werden, bis die vorgegebene Eindringtiefe des Prüfkörpers erreicht ist; sodann mißt man die zweite Resonanzfrequenz verschiebung. Anschließend wird die Prüfkraft bis auf den Wert der ersten Prüfkraft erhöht und die erste Resonanz frequenzverschiebung gemessen.

Die zweite variable Prüfkraft muß nicht sonderlich hoch sein. Daraus ergibt sich, daß die Eindringtiefe in der Größenordnung von µm liegen kann.

Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Messung der Härte eines Prüfkörpers mit einer in mechanische Schwingungen versetzbaren Sonde, deren Sondenkopf mit vorgegebener Form unter vorgegebener Prüfkraft gegen den Prüfkörper drückbar ist und mit einer Einrichtung zur Messung der Resonanzfrequenzverschiebung der an der Prüfkörper gedrückten Sonde im Vergleich zur freischwin genden Sonde, insbesondere zur Durchführung des vorstehend beschriebenen Verfahrens. Diese Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung zur Messung der Eindringtiefe des Sondenkopfs in den Prüfkörper vorgesehen ist.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung an einem Ausführungsbeispiel erläutert.

Die Zeichnung zeigt eine stark vereinfachte Prinzipdar stellung einer erfindungsgemäßen Härtemeßvorrichtung.

Die mit 10 bezeichnete Vorrichtung zur Messung der Härte eines Prüfkörpers 16 weist eine in mechanische Schwingun gen versetzbare Sonde 22 auf, deren Sondenkopf mit vorge gebener Form (z.B. Vickers-Kegel) gegen den Prüfkörper 16 drückbar ist. Wie bspw. in der DE-B-12 87 334 prinzipiell erläutert, kann die in ein Gehäuse 18 eingesetzte Sonde 22 bspw. mittels nicht dargestellter Magnetspulen in mechani sche Schwingungen versetzt werden, was durch den Doppel pfeil A in der Figur angedeutet ist. Die entsprechende Steuerschaltung ist mit einem Block 28 symbolisiert. Ein mit diesem verbundener Block 30 dient der Messung der Resonanzfrequenzverschiebung der an den Prüfkörper 16 ge drückten Sonde 22 im Vergleich zur freischwingenden Sonde. Das Gehäuse 18 ist an Stützen 14 vertikal verschiebbar gehaltert - die Stützen 14 gehen von einer Grundplatte 12 aus, auf der der Prüfkörper 16 liegt. Über einen in der Figur strichliert angedeuteten, radial abstehenden Bund 19 der Sonde 22 kann vom Gehäuse 18 eine Prüfkraft auf die Sonde 22 ausgeübt werden. Diese Prüfkraft kann variiert werden. Dies ist in der Figur dadurch symbolisiert, daß auf das Gehäuse 18 ein Gewicht 24 in Form einer Ringschei be aufgelegt ist. Zur Erhöhung der Prüfkraft kann ein weiteres Gewicht 26 aufgelegt werden.

Neben der Resonanzfrequenzmessung wird noch eine weitere Messung durchgeführt, nämlich die Messung der Eindringtie fe des Sondenkopfs in den Prüfkörper 16. Dies ist in der Zeichnung durch einen ortsfesten Höhenmarkierungspfeil 34 angedeutet, der auf eine Strichmarkierung an der Sonde 22 hin zeigt und somit das Ablesen der Eindringtiefe gestat tet. In der Praxis kann die Eindringtiefe bspw. mit Hilfe eines Meßmikroskops erfolgen oder mit Hilfe von induktiv arbeitenden Weggebern oder dergleichen.

Die zu messende Härte wird vorliegend als Quotient aus der Prüfkraft und der Oberfläche (Eindruckoberfläche) des durch diese Prüfkraft erzeugten Eindrucks definiert. Läßt man die Sonde mit bekannter Frequenz schwingen, so führt die Kopplung zwischen Sonde und Prüfkörper über die Eindruckoberfläche zu einer Veränderung dieser Frequenz nach der folgenden Beziehung:

δ f = Frequenzverschiebung
K = Konstante
E _ef = Effektiver Elastizitätsmodul zusammengesetzt aus den Elastizitätsmodulen des Eindringkörpers und der Probe
A = Eindruckoberfläche

Läßt man außer der Prüfkraft (Index 1) in einer gesonder ten Messung eine sehr viel kleinere Vorprüfkraft (Index 2) wirken, so erhält man die beiden Gleichungen:

Durch Division erhält man:

Hieraus läßt sich die der ersten Prüfkraft zugeordnete erste Eindruckoberfläche A ₁ wie folgt bestimmen:

Die E-Modulabhängigkeit ist damit aufgehoben. Als zusätz liche Unbekannte ist dafür die Fläche A ₂ vorhanden. Macht man nun die Vorprüfkraft (2. variable Prüfkraft) in der Weise variabel, daß man sie so lange steigert bis ein vorgegebener Eindringweg von z.B. 1 µm erreicht ist, so ist A ₂ aufgrund der Eindringkörpergeometrie bekannt und kann für jede Eindringkörperform als Konstante c in die letzte Gleichung eingesetzt werden:

Man geht also so vor, daß man den Eindringweg beobachtet und die Vorprüfkraft so lange erhöht, bis der vorgegebene Eindringweg erreicht ist. Sodann mißt man die Resonanzfre quenzverschiebung δ f ₂. Sodann wird die Prüfkraft bis auf den Wert der ersten vorgegebenen Prüfkraft erhöht und wiederum die Resonanzfrequenzverschiebung δ f ₁ gemessen. Aus den gemessenen Größen läßt sich sogleich die erste Eindruckoberfläche A ₁ berechnen und sodann die Härte als Quotient der ersten Prüfkraft und der ersten Eindruckober fläche A ₁.

Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt eine B-modulunab hängige direkte Messung der Härte. Es handelt sich hierbei um ein äußerst wirtschaftliches Prüfverfahren, da sowohl der gerätetechnische Aufwand sich in Grenzen hält, als auch die Härteprüfung selbst schnell, einfach und zuver lässig, ggf. automatisch, durchgeführt werden kann. Aufgrund der Quotientenbildung geht keinerlei Gerätekon stante K in die Messung ein. Bereits vorhandene Geräte lassen sich über Referenzplatten, deren Härte nach dem eben beschriebenen Verfahren ermittelt wurde, direkt kalibrieren. Eine Umwertung auf die Vickers-Härte mit all ihren Nachteilen ist auch für diese Geräte nicht mehr notwendig.

Der erfindungsgemäß erhaltene Härtewert ist physikalisch besonders sinnvoll, da die Eindruckoberfläche unter Prüfkraft ermittelt wird und nicht nach Entlastung, wie bei klassischen Verfahren. Die Messung des Eindringwegs ist leicht automatisierbar und frei von subjektiven Fehlern. Die ermittelte erste Eindruckoberfläche ist die wirkliche Kontaktfläche zwischen Eindringkörper und Probe; Aufwölbungen oder Einziehungen werden mit erfaßt.

Claims

1. Verfahren zur Messung der Härte eines Prüfkörpers, wobei eine Sonde in mechanische Schwingungen versetzt wird und mit einem harten Sondenkopf vorgegebener Form unter vorgegebener Prüfkraft gegen den Prüfkör per gedrückt wird mit Messung der Resonanzfrequenz verschiebung δ f ₁ der an den Prüfkörper gedrückten Sonde im Vergleich zur freischwingenden Sonde, dadurch gekennzeichnet, daß man bei einer zweiten Messung eine zweite variable Prüfkraft so einstellt, daß der Sondenkopf eine vorgegebene zweite Ein druckoberfläche A ₂ im Prüfkörper erzielt, und bei dieser Prüfkraft eine zweite Resonanzfrequenzver schiebung δ f ₂ mißt, und daß man die der vorgegebenen ersten Prüfkraft zugeordnete erste Eindruckoberfläche A ₁ nach der folgenden Beziehung bestimmt:

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man zuerst die zweite Messung durchführt mit einer zweiten variablen Prüfkraft, welche wesentlich kleiner ist als die erste vorgegebene Prüfkraft.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß man die zweite variable Prüfkraft so einstellt, daß der Sondenkopf eine der vorgegebenen zweiten Eindruckoberfläche entsprechende Eindringtie fe im Prüfkörper erzielt.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Eindringtiefe in der Größenordnung von µm liegt.

5. Vorrichtung (10) zur Messung der Härte eines Prüfkör pers (16) mit einer in mechanische Schwingungen versetzbaren Sonde (22), deren Sondenkopf mit vorge gebener Form unter vorgegebener Prüfkraft gegen den Prüfkörper (16) drückbar ist und mit einer Einrich tung (30) zur Messung der Resonanzfrequenzverschie bung der an der Prüfkörper (16) gedrückten Sonde (22) im Vergleich zur freischwingenden Sonde (22), insbe sondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung (34) zur Messung der Eindring tiefe des Sondenkopfs in den Prüfkörper (16) vorgese hen ist.