DE3830816C2

DE3830816C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Messung der Härte eines Prüfkörpers

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Publication number: DE3830816C2
Application number: DE19883830816
Authority: DE
Original assignee: Instron Corp
Current assignee: Instron Corp
Priority date: 1988-09-09
Filing date: 1988-09-09
Publication date: 1997-04-30
Anticipated expiration: 2008-09-10
Also published as: DE3830816A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung 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 δf₁ der an den Prüfkörper gedrückten Sonde im Vergleich zur freischwingenden Sonde.

Ein derartiges Verfahren ist beispielsweise aus der DE 12 87 334 bekannt. Mit diesem bekannten Verfahren wird aus der Resonanzfrequenzverschiebung auf Oberflächeneigenschaften des Prüfkörpers, insbesondere auf dessen Härte, geschlossen.

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.

Aus der DE-OS 23 75 755 ist ein Verfahren zur Ermittlung des Infinitesimal-Härteverhaltens von Kunststoff, Beschichtungen und Materialien bekannt. Bei diesem bekannten Verfahren wird der Grenzwert des Quotienten von Eindringlast und Eindringtiefe für die gegen Null gehende Last ermittelt. Der Grenzwert ist dabei jedoch vom Elastizitätsmodul des Materials des Prüfkörpers abhängig.

Aus der US 4 182 164 eine Vorrichtung zur Härteprüfung eines Materials bekannt, das nach dem Prinzip der Rockwell-Härtemessung arbeitet. Bei diesem Verfahren wird die Eindringtiefe bei zwei verschiedenen Prüfkräften gemessen und daraus die Härte abgeleitet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Härte eines Prüfkörpers ohne die Kenntnis von dessen Elastizitätsmoduls und ohne die Durchführung von Vergleichsmessungen ermitteln zu können. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch das im Anspruch 1 angegebene Verfahren und die im Anspruch 5 angegebenen Vorrichtung gelöst.

Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren bzw. der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird bei einer zweiten Messung eine zweite variable Prüfkraft so ein gestellt, daß der Sondenkopf eine vorgegebene zweite Ein druckoberfläche A₂ im Prüfkörper erzielt, und bei dieser Prüfkraft eine zweite Resonanzfrequenzverschiebung δf₂ mißt, und daß man die der vorgegebenen ersten Prüfkraft zugeordnete erste Eindruckoberfläche A₁ 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 A₁ ergibt sich unmittelbar aus der angegebenen Beziehung, wobei die beiden Resonanzfrequenzverschiebungen sich aus der Messung ergeben und die Proportionalitätskonstante (A₂) mit der vorgegebenen zweiten Eindruckoberfläche A₂ identisch ist. Aufgrund der vorgegebenen Form des Sonden kopfes kann A₂ mittelbar dadurch bestimmt werden, daß man die Eindringtiefe des Prüfkörpers unter der vorgegebenen zweiten variablen Prüfkraft kontrolliert.

Bevorzugt geht man 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.

Ferner kann 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 insbesondere 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-PS 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 strichliniert 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:

δf = 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 A₁ wie folgt bestimmen:

Die E-Modulabhängigkeit ist damit aufgehoben. Als zusätz liche Unbekannte ist dafür die Fläche A₂ 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 A₂ 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 δf₂. Sodann wird die Prüfkraft bis auf den Wert der ersten vorgegebenen Prüfkraft erhöht und wiederum die Resonanzfrequenzverschiebung δf₁ gemessen. Aus den gemessenen Größen läßt sich sogleich die erste Eindruckoberfläche A₁ berechnen und sodann die Härte als Quotient der ersten Prüfkraft und der ersten Eindruckober fläche A₁.

Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt eine vom E-Modul eines Prüfkörpers unabhängige Messung von dessen Härte. 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 Ermittlung der Härte eines Prüfkörpers mittels einer mit einem harten Sondenkopf vorgegebener Form versehenen Sonde mit folgenden Schritten:

A) Versetzen der Sonde mit vom Prüfkörper entferntem Sondenkopf in mechanische Resonanzschwingungen;
B) Andrücken des Sondenkopfs gegen den Prüfkörper mit einer vorgegebenen ersten Prüfkraft und Messung der Änderung der Resonanzfrequenz als erste Frequenzverschiebung δf₁;
C) Andrücken des Sondenkopfs gegen den Prüfkörper einer zweiten, variablen Prüfkraft und Messung der Eindringtiefe des Sondenkopfs im Prüfkörper sowie Berechnen einer zweiten Eindruckoberfläche A₂ des Sondenkopfs im Prüfkörper aus dem gemessenen Wert der Eindringtiefe unter Berücksichtigung der Form des Sondenkopfs;
D) Messung der Änderung der Resonanzfrequenz als zweite Frequenzverschiebung δf₂ bei einer vorgegebenen zweiten Eindruckoberfläche A₂,
E) Berechnen der bei der Messung der ersten Frequenzverschiebung δf₁ gegebenen ersten Eindruckoberfläche A₁ des Sondenkopfs im Prüfkörper nach der folgenden Beziehung: A₁ = A₂ × δf₁²/δf₂²;
F) Berechnen der Härte als Quotient der vorgegebenen ersten Prüfkraft und der berechneten ersten Eindruckoberfläche A₁.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man Schritt (C) vor dem Schritt (B) durchführt, und daß die zweite Prüfkraft wesentlich kleiner ist als die erste Prüfkraft.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß man im Schritt (C) die Prüfkraft solange verändert, bis die Eindringtiefe des Sondenkopfs im Prüfkörper einen vorgegebenen Wert annimmt.

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

5. Vorrichtung (10) zur Messung der Härte eines Prüfkörpers (16) mit einer in mechanische Schwingungen versetzbaren Sonde (22), deren Sondenkopf mit vorgegebener Form unter vorgegebener Prüfkraft gegen den Prüfkörper (16) drückbar ist und mit einer Einrichtung (30) zur Messung der Resonanzfrequenzverschiebung der an der Prüfkörper (16) gedrückten Sonde (22) im Vergleich zur freischwingenden Sonde (22), insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß eine Einrichtung (34) zur Messung der Eindringtiefe des Sondenkopfs den Prüfkörper (16) unter einer zweiten Prüfkraft vorgesehen ist,
daß eine erste Recheneinheit vorgesehen ist zur Berechnung einer zweiten Eindruckoberfläche A2 aus der bei der zweiten Prüfkraft gemessenen Eindringtiefe unter Berücksichtigung der Form des Sondenkopfs,
daß eine zweite Recheneinheit vorgesehen ist zur Berechnung einer ersten Eindruckoberfläche A₁ bei einer vorgegebenen ersten Prüfkraft nach der folgenden Beziehung: A₁ = A₂ × δf₁²/δf₂²,wobei δf₁ die gemessene Resonanzverschiebung unter der ersten Prüfkraft und δf₂ die Resonanzverschiebung unter der zweiten Prüfkraft ist,
und daß eine dritte Recheneinheit vorgesehen ist zur Berechnung der Härte des Prüfkörpers aus dem Quotienten der ersten Prüfkraft und der ersten Eindruckoberfläche A₁.