DE3918195A1 - Verfahren und vorrichtung zur erfassung, aufnahme und messung der bei einwirkung einer last auftretenden elastischen und elastoplastischen verformung einer oberflaeche eines prueflings - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erfassung, Aufnahme und Messung der bei Einwirkung einer Last auftretenden ela­ stischen und elastoplastischen Verformung einer Oberfläche eines Prüflings, insbesondere auch zur Messung der Randschicht­ härtetiefe eines Prüflings.

Das erfindungsgemäße Verfahren dient insbesondere zur Messung von Härtekennwerten bei sehr harten und wenig duktilen Werk­ stoffen, sowie zur Messung der Randschichthärtetiefe eines Bauteils bzw. Prüflings. Es wird dabei die Oberfläche des Prüflings mit einem Belastungskörper belastet, wobei nicht nur der Eindringweg des Belastungskörpers gemessen wird, sondern gleichzeitig die elastische Verformung der Oberfläche, ausge­ hend vom Lastaufbringungspunkt, in ihrem radialen Verlauf er­ faßt wird.

Die Prüfung der Härte eines Werkstoffs insbesondere bei metalli­ schen Konstruktionswerkstoffen ist ein sinnvolles und sehr rationell durchzuführendes Prüfverfahren, um mechanische Kenn­ werte des Werkstoffes aufzunehmen und als Kriterium zur Quali­ tätssicherung heranzuziehen, heranzuziehen. Aus der Härte läßt sich innerhalb bestimmter Werkstofftypen, z.B. unlegier­ ten Stählen, auf die Festigkeit schließen. Auch ohne solche Umrechnungen stellt die Härte für sich bereits einen Kennwert dar, für den sich bestimmte Vorgaben machen lassen, um eine gleichmäßige Qualität des Werkstoffs zu sichern und um das Ergebnis, beispielsweise von Kaltverformungen und Wärmebe­ handlungen, zu überprüfen. So ist es z.B. üblich, den Wärme­ behandlungszustand eines Werkstoffs mit Hilfe der Härte fest­ zulegen.

Zur Durchführung der Härteprüfung werden in der Regel Prüf­ linge benützt, die unter einer definierten Belastung plastisch in die Werkstoffoberfläche eindringen. Der verbleibende Druck, z.B. einer Pyramide oder einer Kugel, an der Oberfläche und/oder Eindringweg eines solchen Prüflings werden gemessen und als Kennzeichnung der Härte des jeweiligen Werkstoffs herangezogen. Eine solche Art der Härteprüfung setzt eine gewisse Duktilität des Werkstoffs voraus, so daß diese Prüfung bei sehr harten und wenig duktilen somit also spröden Materialien ihre Grenzen findet. Dort sind dann ersatzweise Verfahren, wie die Messung einer Rückprallhärte in Anwendung bei der die Höhe eines ela­ stischen Rücksprungs, eines definiert auf den Werkstoff auf­ prallenden Körpers gemessen wird. Dieses Verfahren ist jedoch im Vergleich zur Eindringhärte relativ ungenau, hängt von einer Reihe von Störeinflüssen ab und setzt schließlich ein definier­ tes und ausreichend differenzierendes elastisches Verhalten zur Kennzeichnung der Werkstoffeigenschaften voraus.

Eine ganz besondere Aufgabe stellt sich bei der Prüfung von randschichtgehärteten Bauteilen. Anwendung findet die Rand­ schichthärtung z.B. bei Wellen und Zapfen aber auch bei Zahn­ rädern an den Zahnflanken, also insgesamt bei Bauteilen, die dynamischer Beanspruchung und zum Teil auch Verschleiß ausge­ setzt sind. Durch eine hohe Härte entsprechend einer hohen E­ lastizitätsgrenze werden mikroplastische Vorgänge in der Ober­ fläche weitgehend unterbunden, so daß die Ermüdungsfestigkeit eine nachhaltige Steigerung gegenüber nicht randschichtgehärte­ ten Bauteilen erfährt. Zusätzlich wirkt sich wechselfestig­ keitssteigernd eine mit der Randschichthärtung verbundene Druckvorspannung in der Oberfläche aus, die sich aus der auf den Oberflächenbereich beschränkten Härtesteigerung durch Wärmebehandlung ergibt.

Die gehärtete Randschicht kann nach verschiedenen Oberflä­ chenverfahren erzeugt werden, die sich im Ergebnis durch un­ terschiedliche Eigenschaften und Verlauf in die Tiefe der gehärteten Randschicht unterscheiden. Bei induktiver Härtung beschränkt sich die Erwärmung von Stählen nur auf die Rand­ schicht, so daß in Folge der auf diese beschränkten Umwand­ lungsvorgänge nur dort die Härtung erfolgt. Andere Wege zur Oberflächenhärtung bestehen darin, daß durch Eindiffusion von Fremdelementen in die Randschicht entweder deren Härtbarkeit gesteigert wird und/oder es wird eine hohe Härte und hoher Verschleißwiderstand durch die Bildung intermetallischer Hart­ phasen erreicht. Zu diesen Verfahren gehören das Aufkohlen (Karborieren) , das Nitrieren und das Karbonitrieren, aber auch z.B. das Inchromieren und das Borieren.

Die durch das Randschichthärten erzeugten Schichten sind ge­ kennzeichnet durch ihre Oberflächenhärte und durch die Dicke der gehärteten Randschicht. Da die Härte von der Oberfläche in die Tiefe je nach dem Randschichthärteverfahren mehr oder weni­ ger stetig abnimmt, wird die Härtetiefe festgelegt als die Tie­ fe, bei der ein Mindestwert der Härte erreicht oder unterschrit­ ten wird. So gibt es z.B. eine Festlegung, nach der bei einer Einsatzhärtung (Aufkohlung) die Tiefe der gehärteten Randschicht (Einsatzhärtetiefe) durch den Punkt unter der Oberfläche fest­ gelegt wird, bei dem die Grenzfläche von 550 HV erreicht wird (Eht 550). Bei nitrierten Oberflächen gilt als Nitrierhärte­ tiefe der Punkt unter der Oberfläche, bei dem eine Härte er­ reicht wird, die sich aus der Kernhärte des Werkstoffs +50 HV ergibt. Um nach diesen Kriterien eine Randschichthärtung zu bestimmen, ist in jedem Fall ein Querschnitt durch die Schicht bis in den Kernwerkstoff erforderlich. An einer solchen prä­ parierten Probe (Querschliff) läßt sich dann der Härteverlauf bestimmen. Die Messung erfordert somit eine Probepräparation, so daß eine unmittelbare Messung der Randschichthärtetiefe am Bauteil nicht möglich ist.

Versuch zum Einsatz von zerstörungsfreien Methoden, wie Ultra­ schall, Wirbelstromprüfung und ähnliches, haben nicht zum ge­ wünschten Erfolg geführt. Bei solchen störungsfreien Verfahren müssen die zerstörungsfrei ermittelten Kenngrößen wie Schall­ impedanz oder elektrische und magnetische Werte erst in Kor­ relation zur Härte und dem Härteverlauf gebracht werden. Es handelt sich bei solchen Verfahren also um eine indirekte Me­ thode, die eine Korrelation zu den direkt interessierenden Meß­ werten und somit zusätzliche Kriterien erfordert, die auf die Tiefe der Einsatzhärteschicht schließen lassen. Bereits die Korrelation der zerstörungsfrei zu ermittelnden Kenngrößen zur Randschichttiefe ist schwierig. Eine ausreichende Auflö­ sung der zerstörungsfrei ermittelten Kenngrößen in die Tiefe und die Erarbeitung eines Kriteriums für den Tiefenverlauf ist bis heute noch nicht realisiert.

Aufgabe der Erfindung war es, ein Verfahren der eingangs ge­ nannten Art sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Ver­ fahrens zu schaffen, das eine ausreichende Auflösung von zer­ störungsfrei ermittelten Kenngrößen in die Tiefe ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche 1 bis 16 gelöst.

Die Erfindung geht davon aus, daß bei Einwirkung eines Bela­ stungskörpers, wie Kugel, Kegel, Pyramide, Ebene oder beliebig gekrümmte Flächen, auf die Oberfläche eines Prüflings dieser Belastungskörper einen Gesamtweg senkrecht zur Oberfläche zu­ rücklegt, der aus einer elastischen Verformung und aus einem plastischen Eindringweg besteht. Bei unterschiedlichen Prüf­ lingen ergeben sich nach dieser Methode nicht nur unterschied­ liche plastische Eindringwege des Belastungskörpers - wie sie üblicherweise zur Bestimmung der Härte herangezogen werden - sondern auch unterschiedliche Verläufe der elastischen Ver­ formung ausgehend vom Lastaufbringpunkt bis zum Abklingen der elastischen Linie und entsprechend unterschiedliche Verhält­ nisse zwischen plastischem Eindringweg und elastischer Ver­ formung.

Der Gesamtweg des Belastungskörpers wird in Abhängigkeit von der Belastung, d.h. der Kraft mit der der Belastungskörper beaufschlagt wird, in Belastungsrichtung gemessen und gleich­ zeitig wird während der Belastung mit einem geeigneten System zur Wegmessung die elastische Verformung in der Umgebung des Druckkörpers aufgenommen. Das Verfahren liefert bei unter­ schiedlich harten bzw. unterschiedlich duktilen Werkstoffen über die Auswertung des elastisch plastischen Verlaufs der Oberflächenverformung einen Kennwert. Bei duktilen Werkstoffen klingt die elastische Verformung (Radiallinie) ausgehend vom Belastungspunkt rasch ab. Bei wenig duktilen elastischen Werk­ stoffen ergibt sich eine sehr viel weitreichendere elastische Verformung in radialer Richtung, ausgehend vom Lastaufbringungs­ punkt.

Bei nicht-duktilen und wenig elastischen Werkstoffen stellt sich eine Konfiguration ein, die praktisch dem Zustand bei Be­ rührung zwischen Belastungskörper und Oberfläche, aber vor Aufbringung der Belastung, entspricht. Bei Steigerung der Be­ lastung wird hier der Werkstoff einbrechen, ohne meßbare ela­ stische Linie in radialer Richtung (sprödes, unelastisches Verhalten).

Die Erfindung wird anhand einiger schematischer Darstellungen in den Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Skizze einer Ausführungsform einer Meßanordnung;

Fig. 2 bis 5 die Meßanordnung gemäß Fig. 1 bei der Prüfung un­ terschiedlich harter Werkstoffe ohne bzw. mit unter­ schiedlich dicken Randschichten;

Fig. 6 eine Skizze einer anderen Ausführungsform einer Meßanordnung;

Fig. 7 bis 9 die Meßanordnung gemäß Fig. 6 bei der Prüfung von Werkstoffen; und

Fig. 10 eine weitere Ausführungsform einer Meßanordnung.

Zur Durchführung der Messungen wird in der unmittelbaren Um­ gebung des Belastungskörpers 2 eine Matrix von Tastern 4 zur Wegeaufnahme angebracht (Fig. 1 bis 5). Vorteilhaft ist auch eine Anordnung, bei der die Wegmessung über Taster, optische oder elektrische oder magnetische Verfahren oder deren Kombi­ nation unmittelbar durch den Belastungskörper 2 a hindurch er­ folgt(Fig. 6 bis 9). Bei einer solchen Anordnung kann die Messung des Verlaufs der elastischen Verformung unmittelbar am Lastaufbringungspunkt beginnen. Als Bezugspunkt für die Messung wird entweder die Lage der unbelasteten Oberfläche des Prüflings 1 angenommen (Fig. 1 bis 5) oder der erste Be­ rührungspunkt einer gekrümmten Belastungsfläche auf der Ober­ fläche (Fig. 6 bis 9).

Gemäß Fig. 1 oder Fig. 6 wirkt auf einen Prüfling 1 bzw. 1 a ein Belastungskörper 2 bzw. 2 a mit abgerundeter Belastungsfläche ein. Um den Belastungskörper 2 bzw. 2 a sind Tastfühler 4 bzw. 4′ als Wegeaufnehmer angeordnet. Der Belastungskörper 2 bzw. 2 a hat einen Durchmesser von 2,5 mm bei einem Krümmungsradius der Druckfläche von größer als oder gleich 25 mm oder bei ebener Druckfläche. Die Tastfühler 4 bzw. 4′ sind in einem etwa 4 mm breiten Ring mit einem Innendurchmesser von 2,6 mm um den Be­ lastungskörper 2 bzw. 2 a angeordnet. Innerhalb dieses Ringes sind auf einer Radiallinie etwa acht bis zwölf einzelne Tast­ fühler vorgesehen. Es können zusätzliche Radiallinien, z.B. eine senkrecht dazu verlaufende Radiallinie, mit Tastfühlern 4 bzw. 4′ bestückt sein. Sie dienen dazu, die Verformung der Oberfläche des Prüflings 1 bzw. 1 a bei Belastung F des Bela­ stungskörpers 2 bzw. 2 a aufzunehmen. Jeder Tastfühler 4 bzw. 4 a überträgt dazu auf induktivem Weg die Veränderung der Ober­ fläche des Prüflings 1 bzw. 1 a zu einer Registriereinrichtung.

Die Fig. 2 bis 5 zeigen vier Meßanordnungen, wobei der Ge­ samtweg der Verschiebung des Belastungskörpers 2 in allen vier Fällen gleich groß ist.

Die Fig. 2 und Fig. 7 zeigen die Reaktion der Oberfläche eines homogenen Prüflings 1 bzw. 1 a aus einem weichen Werkstoff. Der Belastungskörper 2 bzw. 2 a dringt sehr weit in die Oberfläche des Prüflings ein, d. h. der plastische Eindringweg 3 (Fig. 7) ist groß. Von den Tastfühlern 4 bzw. 4′ wird nur eine geringe elastische Verformung registriert.

Fig. 3 und Fig. 7 zeigen jeweils den Fall eines homogenen Prüflings 1 bzw. 1 a aus hartem Werkstoff. Der plastische Eindringweg ist dabei klein. Die Tastfühler 4 bzw. 4′ regi­ strieren radial vom Belastungspunkt weitreichende Absenkungen der Oberfläche, wobei die Absenkung mit steigender Entfernung vom Belastungskörper 2 bzw. 2 a abnimmt. Die elastische Ver­ formung 6 (angegeben in Fig. 4) ist somit groß.

Während die Fig. 2, 3, 6 und 7 Prüflinge homogener Zusam­ mensetzung zeigen, sind in den Fig. 4 und 5 Reaktionen der Oberfläche von Prüflingen veranschaulicht, die jeweils eine gehärtete Randschicht 5 bzw. 5 a aufweisen. Die Randschicht 5 (Fig. 4) ist dünn, während die Randschicht 5 a (Fig. 5) dick ist. Bei einer dünnen harten Randschicht 5 über einem weichen Kernwerkstoff ist die Reaktion der Oberfläche ähnlich wie bei dem in Fig. 2 gezeigten Fall eines homogenen Prüflings 1 aus weichem Werkstoff, d. h. die Tastfühler 4 registrieren eine relativ weitreichende elastische Zone 6.

Bei der dicken gehärteten Randschicht 5 a (Fig. 5) des Prüflings registrieren die Tastfühler eine geringere radiale Ausdehnung der elastischen Verformung 6.

Bei den in den Fig. 4 und 5 gezeigten Fällen wird jeweils vorausgesetzt, daß die Randschicht 5 bzw. 5 a wesentlich dünner ist als die Gesamtdicke des Prüflings 1.

Wie insbesondere ein Vergleich der Fig. 4 und 5 erkennen läßt, dann aus der von den Tastfühlern 4 registrierten elastischen Verformung 6 bei vorgegebenem Gesamtweg des Belastungskörpers 2 und bekannter E-Moduli der Randschicht 5 bzw. 5 a und des Kernwerkstoffes die Dicke der gehärteten Randschicht 5 bzw. 5 a ermittelt werden.

Eine weitere Ausführungsform der Meßanordnung ist in den Fig. 6 bis 9 gezeigt, bei der Taster bzw. Tastfühler 4′ durch den Belastungskörper 2 a hindurch wirken. Diese Taster nehmen beim Aufsetzen des Belastungskörpers 2 a (Fig. 6) eine ebene Ausrichtung entsprechend der Oberfläche des unbelasteten Be­ lastungskörpers 2 a ein. Beim Aufbringen der Last schmiegt sich im Falle des duktilen Prüflings 1 a die Oberfläche der Krümmung des Belastungskörpers an, so daß die Ausrichtung der Taster 4′ dem Verlauf der Krümmung des Belastungskörpers und der dieser plastisch nachgeformten Oberfläche 9 des Prüflings 1 a entspricht (Fig. 7). Im Falle eines harten elastischen Prüflings weicht der Verlauf, der durch die Belastung mit dem Belastungskörper erzeugten Verformung 9′ des Prüflings von der Krümmung des Belastungskörpers 2 a ab. Die Krümmung 9′′ entspricht nun dem Verlauf der elastischen bzw. elastoplasti­ schen Verformung ausgehend vom Belastungspunkt. Die Abweichung im Verlauf, der durch die Tastkörper angezeigten Krümmung der Oberfläche von der Krümmung des Belastungskörpers gibt ein Maß für den elastischen Anteil in der Verformung der Ober­ fläche an (Fig. 8). Schließlich läßt sich nach der beschrie­ benen Anordnung auch das Verhalten eines spröden Körpers er­ fassen (Fig. 9). Bei Überschreiten einer kritischen Belastung bricht die Oberfläche örtlich ein. Dieser Vorgang zeichnet sich durch einen unstetigen Verlauf der durch die Tastkörper angezeigten Verformung der Oberfläche, ab (Fig. 9).

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren müssen zur Bestimmung der elastischen Verformung 6 Verschiebungen der Oberfläche des Prüflings 1 bzw. 1 a gemessen werden, die in der Größenordnung von einigen wenigen Mikrometer liegen. Derart kleine Formän­ derungen können beispielsweise durch Tastfühler gemessen wer­ den, die ähnlich wie der Nadeldruckkopf eines Nadeldruckers aufgebaut ist. Eine Vielzahl von Nadeln ist dabei dicht neben­ einander angeordnet (nicht dargestellt). Die Spitzen der Na­ deln sind senkrecht zur Oberfläche des Prüflings 1 bzw. 1 a aus­ gerichtet. Jede Nadel ist mit einem Magnetsystem verbunden, im allgemeinen ein Tauchankermagnetsystem. Bei einem Nadeldruck­ kopf dient das Magnetsystem zur Verschiebung der Nadeln. In Verbindung mit der erfindungsgemäßen Anordnung wird das Magnet­ system dazu verwendet, um eine Verschiebung der Nadelspitze induktiv von einer Meßeinrichtung zu registrieren. Die Ver­ schiebung der Nadelspitze wird dabei durch die elastische Ver­ formung 6 der Oberfläche des Prüflings verursacht. Die Verwen­ dung eines Nadeldruckkopfes zum Abtasten der Oberfläche eines Gegenstandes ist an sich bekannt und wird daher nicht näher be­ schrieben.

Eine andere Möglichkeit, die Verschiebung der Nadelspitze zu messen, besteht darin, diese fest mit einer gebogenen Feder oder Lasche zu verbinden, wobei durch einen Mikro-Dehnungsmeß­ streifen eine Veränderung der Krümmung der Feder oder Lasche registriert wird, die wiederum durch die Verschiebung des Tastfühlers verursacht wird.

In gleicher Weise wie mit Tastfühlern, läßt sich der Verlauf der Verformung der Oberfläche ausgehend vom Belastungspunkt optisch bzw. laseroptisch erfassen. Dazu wird wiederum ein Ring oder Balken (Fig. 1 bis 5) herangezogen. Im Falle der Messung der Verformung der Oberfläche durch den Belastungs­ körper hindurch (Fig. 6 bis 9) muß durch diesen der Strahlen­ gang des optischen Systems hindurchgeführt werden. Das kann erfolgen durch entsprechende Bohrungen oder Spalten im Be­ lastungskörper. Es ist jedoch auch möglich, den Belastungs­ körper z.B. als Kristall durchlässig zu machen.

Schließlich läßt sich der elastische und plastische Anteil der Formänderung der Oberfläche dadurch erfassen, daß der Be­ lastungskörper mit Drucksensoren versehen wird. Im Falle einer plastischen Verformung der Oberfläche mit elastischer Nachgiebigkeit wird im Bereich des plastischen Eindringens des Belastungskörpers ein Druck auf die Oberflächensegmente bzw. Sensoren erzeugt (Fig. 10), wobei im plastischen Bereich Sensoren 8 unter Druck stehen. Die Begrenzung des plastischen Bereichs und der Beginn der rein elastischen Verschiebung wird durch drucklose Sensoren 8′ bzw. Segmente gekennzeichnet (Fig. 10) Eine Korrelation dieser Messung mit dem Gesamtweg des Belastungskörpers, entsprechend 7 (Fig. 4 und 5) gibt weitere Informationen über den elastischen plastischen Anteil bei der Verformung der Oberfläche unter Belastung durch den Belastungskörper.

Zur Bestimmung der Randschichthärtetiefe nach dem erfindungs­ gemäßen Verfahren wird die Randschicht als Platte aufgefaßt. Die Größe und Form der elastischen Durchbiegung dieser Platte unter einer in Dickenrichtung wirkenden Belastung hängt dann von der Größe der Belastung, der Dicke der Randschicht und de­ ren E-Modul ab. Wird nun die Belastung einer solchen Schicht - hier als Platte gedacht - durch einen Belastungskörper vor­ genommen, wird sich ein Verhältnis zwischen plastischem Ein­ dringen des Prüflings in die Oberfläche und elastischer Durch­ biegung der Platte (elastoplastischer Randschichtverformungs­ koeffizient) einstellen. Eine hohe Härte einer solchen gedach­ ten Platte bewirkt in radialer Richtung eine relativ weit rei­ chende elastische Durchbiegung bei vergleichsweise geringem plastischen Eindringweg des Prüflings (Fig. 4). Mit zunehmen­ der Dicke, entsprechend zunehmendem Flächenträgheitsmoment des Plattenquerschnitts wird bei gleicher Härte und entspre­ chend gleichem plastischen Eindringen eines Belastungskörpers die elastische Durchbiegung der Platte in radialer Richtung weniger weit reichen (Fig. 5). Wird eine Platte mit geringerer Härte aber annähernd gleichem E-Modul angenommen, so nimmt der plastische Eindringweg gegenüber der elastischen Durch­ biegung zu.

Damit das der Erfindung im Falle der Randschichthärteprüfung zugrungeliegende Modell den realen Verhältnissen eines Prüf­ lings, beispielsweise eines Maschinenbauteils, möglichst nahe kommt, wird ferner angenommen, daß die Platte auf einem wei­ cheren Untergrund liegt, wie dies bei einer gehärteten Rand­ schicht über einem duktilen Kernwerkstoff der Fall ist. Die elastische Durchbiegung der Platte ist also zusätzlich von den mechanischen Kennwerten des Untergrunds, d.h. dem Kernwerk­ stoff abhängig. Die Durchbiegung der Platte auf weicher Bet­ tung als betrachtetes Modell entspricht der elastischen Ver­ formung der Oberfläche des Prüflings.

Der E-Modul für gehärtete Randschichten liegt bei 220 000 N/mm². Für Vergütungsstähle liegt der E-Modul im Bereich von 210 000 N/mm². Die Elastizitätsgrenze für gehärtete Randschichten liegt aber um ein Vielfaches höher als diejenige des Kernwerkstoffs. Für die Messung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es somit erforderlich, die entsprechenden Werte für die Randschicht und den Kernwerkstoff zu kennen, insbesondere den E-Modul und die Elastizitätsgrenze des Kernwerkstoffs. Aufgrund des Betra­ ges und der Form der Durchbiegung der Platte - Verformung der Oberfläche des Prüflings - läßt sich die Abhängigkeit von der Kraft und in Abhängigkeit des über die Oberflächenhärte zuge­ ordneten Eindringweges eines Belastungskörpers die Plattendicke bestimmen, die der gesuchten Randschichthärtetiefe entspricht.

Die Berechnung erfolgt nach den Gesetzen der auf einer nach­ giebigen Bettung aufliegenden Platte. Es kann dabei der rein elastische Fall, bei dem in die Berechnung lediglich die unter­ schiedlichen E-Moduli von Randschicht und Kernwerkstoff einge­ hen, und der Fall unterschieden werden, bei dem sich die höher­ feste Randschicht noch elastisch verformt, der Untergrund je­ doch bereits die Elastizitätsgrenze überschreitet. In Anwendung auf diese Fälle wird vorzugsweise der Belastungskörper mit kon­ stantem Gesamtweg gesteuert. Je nach Oberflächenhärte und Schichtdicke ist der plastische oder der elastische Anteil am Gesamtweg überwiegend.

Für die praktische Anwendung des Meßverfahrens zur Qualitäts­ überwachung und zur Kontrolle der Randschichthärtetiefe läßt sich der Verlauf der elastischen Verformung der Randschicht in Abhängigkeit von der Kraft und dem Eindringweg eines Bela­ stungskörpers in die Oberfläche des Prüflings durch Kalibrier­ messung für vergleichsweise hohe elastische Verformung der Randschicht angestrebt mit nur kleinem Eindringweg eines Be­ lastungskörpers, bietet es sich an, die Kraft über eine ebene oder nur leicht gekrümmte Fläche einzuleiten. Dabei ist es mög­ lich, elastische Formänderungen der Randschicht zu erreichen, die bereits die Elastizitätsgrenze des Untergrund überschreiten.

Die Meßergebnisse - plastischer Eindringweg und elastische Ver­ formung - können durch einen angeschlossenen Rechner unmittelbar in die Dicke der Randschicht umgerechnet werden. Zur Vereinfa­ chung der Messung und Berechnung bietet es sich an, alle Mes­ sungen bei konstantem Gesamtweg durchzuführen. Insbesondere bei Verwendung von Belastungskörpern mit nur schwacher Krümmung oder mit ebenen Belastungsflächen kann die Laststeigerung dann abge­ brochen werden, wenn erste Mikrorisse in der Randschicht ent­ stehen. Dies läßt sich erreichen, wenn zwischen Prüfling und Belastungskörper ein Kopplungsmedium aufgebracht wird und ent­ weder am Belastungskörper oder am Prüfling die Schallemission während der Belastung aufgenommen wird. Als Belastungsgrenze wird dann das Auftreten erster Burstsignale festgelegt. Ver­ suche mit verschiedenen Einsatzhärtetiefen lassen erkennen, wie die elastischen Verformungen der Randschicht von der Rand­ schichthärtetiefe abhängig sind.

Claims (18)

1. Verfahren zur Erfassung, Aufnahme und Messung der bei Einwir­ kung einer Last auftretenden elastischen und elastoplasti­ schen Verformung einer Oberfläche eines Prüflings (1), ins­ besondere auch zur Messung der Randschichthärtetiefe eines Prüflings, dadurch gekennzeichnet, daß man den Verlauf der Verformung ausgehend vom Lastaufbringungs­ punkt eines Belastungskörpers (2) in radialer Richtung bis zum Abklingen der elastischen Biegelinie an der Oberfläche durch ein Abtastsystem erfaßt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man mit dem Belastungskörper (2) ein Bezugssystem verbindet, auf das man den vom Lasteinleitungspunkt ausgehenden Verlauf der elastischen Verformung der Oberfläche bezieht.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß man das Bezugssystem für die Abtastung außerhalb der elastischen Oberflächenbeeinflussung des Belastungskörpers (2) abstützt, derart, daß es nicht in die Verformung einbezogen wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß man das Bezugssystem durch Aufnahme und Fixierung der Ausrichtung der Oberfläche bei der ersten Berührung, jedoch noch vor Ein­ wirkung der Belastung des Belastungskörpers (2) schafft.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man das Abtastsystem bzw. dessen Abtastorgane zur Erfassung der Verformung der Oberfläche durch den Belastungskörper (2) hindurchführt und in Abhängigkeit von der Belastung die Art der Anschmiegung der Oberfläche an eine gekrümmte Druckfläche des Belastungskörpers (2) erfaßt.

6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß man die Form und den Verlauf der elastischen Oberflächenverformung ausgehend von einem Bela­ stungspunkt durch ein Abtastsystem mit hoher Abstandsauflö­ sung erfaßt.

7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß man als Belastungskörper eine Kugelkalotte, einen Kegel, eine Pyramide oder einen Körper mit beliebig gekrümmter Fläche verwendet und die gemessene elastische Verformung in das Verhältnis zum plastischen Ein­ dringweg setzt.

8. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß man einen Belastungskörper (2) mit einer nur schwach gekrümmten oder ebenen Druckfläche ver­ wendet, um bei möglichst kleinem plastischen Eindringweg eine hohe elastische Verformung zu erzielen.

9. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß man den Gesamtweg des Belastungs­ körpers (2) in Abhängigkeit von der Belastung aufnimmt und in Korrelation zum Eindringweg des Belastungskörpers in die Ober­ fläche des Prüflings setzt, um den plastischen und elastischen Anteil zu trennen.

10. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß man den Prüfling (1) oder den Be­ lastungskörper (2) mit einem Schallaufnehmer koppelt.

11. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß man aus dem Verlauf der elasti­ schen Verformung der Randschicht des Prüflings und dem zuge­ ordneten Eindringweg des Belastungskörpers anhand von Kali­ briermessungen unmittelbar auf die Randschichthärtetiefe schließt.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß man die Kalibriermessung und die Messung am Prüfling bei einem gleichen konstanten Gesamtweg in Richtung der Belastung durchführt.

13. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprü­ chen 1 bis 12, mit einem die Oberfläche des Prüflings bela­ stenden, verschiebbaren Belastungskörper sowie einer Meßan­ ordnung zur Aufnahme und Erfassung des Eindringweges des Be­ lastungskörpers bzw. des Verlaufs der Oberflächenverformung des Prüflings, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinrich­ tung eine Vielzahl von Wegeaufnehmern (4; 4′; 8) aufweist, die radial um den Belastungskörper (2; 2 a; 2 b), bzw. um dessen Belastungspunkt an der Oberfläche des Prüflings (1; 1 a) angreifen.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßanordnung zur Aufnahme des Verlaufs der Oberflächenverfor­ mung radial ausgehend vom Belastungspunkt ein Nadeldruckwerk mit einzelnen Nadeln ist und die Wegmessung der einzelnen Na­ deln induktiv oder mit den Nadeln verbundenen Dehnungsmeß­ streifen erfolgt.

15. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßanordnung zur Aufnahme des Verlaufs der Oberflächenverfor­ mung zur optischen bzw. laseroptischen Erfassung ausgelegt ist.

16. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Wegeaufnehmer der Meßanordnung durch Bohrungen oder Spalten im Belastungskörper (2 a) oder durch einen Lichtstrahlen durchlässigen Belastungskörper (2 a) hindurchführbar sind.

17. Vorrichtung nach den Ansprüchen 13, 14, 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Wegeaufnehmer (4) der Meßanordnung zur Aufnahme des Verlaufs der Oberflächenverformung des Prüflings (1) axial zu dessen Oberfläche bewegbar und in Arbeitsstellung in Lage arretierbar sind.

18. Vorrichtung nach Anspruch 13, insbesondere zur Messung der elastoplastischen Oberflächenverformung der Randschichthärte­ tiefe eines Prüflings, dadurch gekennzeichnet, daß dem Bela­ stungskörper (2 b) Drucksensoren (8) zugeordnet sind, die Be­ reiche der Oberfläche anzeigen, welche bei Belastung mit dem Belastungskörper infolge der elastischen/plastischen Nach­ giebigkeit der Oberfläche mit der gekrümmten Oberfläche des Belastungskörpers in Berührung kommen und auf diesen Druck ausüben.