DE4109014A1

DE4109014A1 - Verfahren und vorrichtung zur haertepruefung

Info

Publication number: DE4109014A1
Application number: DE19914109014
Authority: DE
Inventors: Uwe Paetzold
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1991-03-20
Filing date: 1991-03-20
Publication date: 1992-09-24

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Härteprüfung zur Erfassung der Härte, wobei ein Prüfkörper mit definierter Oberflächenform mit einer definierten Kraft auf einen zu prüfenden Körper gedrückt wird. Sie betrifft ferner eine Vorrichtung zur Härteprüfung nach einem solchen Verfahren.

Es ist eine Vielzahl von Verfahren zur Härteprüfung zur Erfassung der Härte eines Werkstoffes bzw. einer Probe bekannt. Unter der Härte eines Werkstoffes ver steht man im allgemeinen den Widerstand, den dieser dem Eindringen eines Prüfkörpers entgegensetzt. Mathe matisch ist die Härte als das Verhältnis von der auf gewandten Kraft zur Oberfläche des erzeugten Eindruckes unter Prüfkraft definiert.

Die bekannten Härteprüfverfahren sind i.a. solche, bei denen nach Wegnahme der Last, also der Prüfkraft, die verbliebene plastische Verformung optisch vermessen wird. Diese Verfahren vernachlässigen den elastischen Anteil der Verformung, d. h. jenen Anteil, der nach Wegnahme der Last bzw. Prüfkraft zur Rückführung in die ursprüngliche Form vor der Verformung führt.

Diese Verfahren haben bereits den Nachteil, daß sie aufgrund Nichtberücksichtigung des elastischen Anteils einen prinzipiellen systembedingten Meßfehler besitzen. Die meisten praktischen Verfahren, etwa nach Vickers, Brinell oder Knopp arbeiten auf diese Weise.

Bekannt ist ferner der sogenannte Diatronic-Automat mit optoelektronischer Auswertung, der mit Hilfe eines in einem Rechner integrierten Bildverarbeitungssystems eine automatisierte Vickers-Messung ermöglicht. Aber auch diese Messung besitzt die Nachteile der Nichtbe rücksichtigung der elastischen Verformung.

Vom Ansatz her wären daher andere Verfahren zu be vorzugen, die die Härte unter Last bestimmen. Bekannt hierfür ist das sogenannte Rockwell-Härteprüfverfahren, bei dem jedoch andere Fehler dadurch auftreten, daß die Oberfläche des erzeugten Eindruckes nur indirekt über die Eindringtiefe gemessen wird. Sogenannte UCI- Verfahren, die mit Ultraschall arbeiten, haben den Nachteil, daß das E-Modul des zu prüfenden Werkstoffes bekannt sein muß. Dies ist insbesondere bei der Prüfung inhomogener Bauteile, wie z. B. Schweißnähten und ge härteten Bauteilen, jedoch gerade nicht der Fall. Das E-Modul ist bei solchen Messungen nicht bekannt und darüber hinaus auch nicht konstant.

Bei Werkstoffen mit unbekanntem E-Modul müssen zusätz lich aufwendige Eichungen mit herkömmlichen Prüfver fahren durchgeführt werden. Außerdem ist es aufgrund seines physikalischen Prinzips auf bestimmte Lastbe reiche festgelegt, was jedoch aufgrund unterschied licher Werkstoffe den Einsatzbereich erheblich ein schränkt.

Bei der Optimierung immer neuer Werkstoffe, Schweiß verbindungen usw. wird jedoch eine immer genauere Kenntnis der physikalischen Daten und damit auch der Härte der Werkstoffe, Schweißverbindungen usw. erforderlich.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren zur Härteprüfung vorzuschlagen.

Diese Aufgabe wird durch ein gattungsgemäßes Verfahren gelöst, bei dem dem lichtdurchlässigen Prüfkörper mittels eines Lichtleiters Licht zugeführt, und er von einem Lichtbündel durchstrahlt wird, das Licht bündel an der von dem zu prüfenden Körper und dem Prüfkörper gebildeten Grenzfläche, der Eindruckober fläche reflektiert wird, das reflektierte Licht mit tels eines Lichtleiters einem Empfänger zugeführt und aus dem reflektierten Signal auf die Größe der Eindruck oberfläche geschlossen wird, die als Maß für die Härte des zu prüfenden Körpers genommen wird.

Mit einem derartigen Verfahren ist es auf besonders einfache Weise möglich, die Härteprüfung zur Erfassung der Härte zu verbessern. Grundidee ist es dabei, den Prüfkörper mit lichtgeeigneter Wellenlänge von hinten zu durchstrahlen und den an dem Härteeindruck reflek tierten Anteil zu messen. Der reflektierte Anteil ist der Oberfläche des Härteeindruckes proportional und kann durch eine geeignete Meßtechnik in ein Ana logsignal umgewandelt werden.

Das Lichtbündel durchstrahlt den Prüfkörper, während dieser unter Last auf der Probe, also dem zu prüfenden Körper, ausliegt. Er bildet also mit dem zu prüfenden Körper eine Grenzfläche, die Eindruckoberfläche. Die Prüfung berücksichtigt also sowohl den plastischen als auch den elastischen Anteil der Verformung.

Darüber hinaus wird auch eine vollautomatische, prob lemlose Messung möglich. Es ist nicht mehr erforder lich, wie bei bekannten Verfahren den Prüfkörper zu nächst einzudrücken, dann zu entfernen, und dann optisch oder auf andere Weise die verbleibende Eindruckober fläche abzutasten. Die gesamte Abtastung wird vielmehr automatisch und zusätzlich noch zeitsparend während des Lastaufbringens ausgeführt.

Von besonderem Vorteil ist es dabei, daß das Reflekti onsverhalten der meisten Metalle bei großen Wellen längen von mehr als einem µm gleich ist, so daß eine werkstoffunabhängige Meßmethodik vorliegt.

Außerdem wird es möglich, an ein und derselben Stelle der Probe eine variable Lastaufbringung vorzunehmen. Während oder zwischen verschiedenen Stufen der Kraftaus übung kann ständig gemessen und die Größe der Eindruck oberfläche bestimmt werden.

Dies war bei bekannten Verfahren nicht möglich, da bereits Meßfehler durch das Wiedereinsetzen der Prüf körper auftreten.

Das Verfahren kann besonders zweckmäßig mit einer Vorrichtung ausgeführt werden, die sich dadurch aus zeichnet, daß der lichtdurchlässige Prüfkörper mittels eines Lichtleiters mit einer Lichtquelle verbunden ist, daß der Prüfkörper mittels eines Lichtleiters mit einem Empfänger verbunden ist, und daß der Empfänger mit einer Auswerteeinrichtung verbunden ist, die das empfangene Signal in einen die Härte des zu prüfenden Körpers angebenden Analogwert umsetzt.

Der die Härte des zu prüfenden Körpers angebende Ana logwert kann einer Anzeigevorrichtung, einem Aufzeich nungsgerät, etwa einem Schreiber, oder auch zur Weiter verwertung unmittelbar einer Datenverarbeitungsanlage zugeführt werden.

Besonders bevorzugt ist es, wenn der Prüfkörper ein Diamant ist.

Diamanten besitzen den Vorteil, besonders hart und zugleich lichtdurchlässig zu sein. Aufgrund ihrer Anisotropie müssen allerdings bei der Auswertung des Ergebnisses verschiedene Korrekturen berücksichtigt werden.

Erste Überlegungen, Härteprüfungen mittels optischer Systeme vorzunehmen, fanden bereits Anfang der vierziger Jahre statt, vgl. E.O. Bernhardt, der Zeiss-Mikrohärte prüfer; seine optischen Systeme, in: Zeiss-Nachrichten, 3 (1940), 280-291. Diese Verfahren waren jedoch zu quantitativen Messungen weder gedacht noch geeignet und dienten eher zur Untersuchung des Mikroaufbaus der Materie.

Als Lichtquelle werden bevorzugt LEDs, Laserdioden oder gechoppte Gleichlichtquellen eingesetzt. Zur Ausschaltung von Gleichlichtanteilen können auch Wech selsignale eingesetzt werden.

Weitere Vorteile entstehen, wenn die Lichtquelle so ausgestaltet ist, daß sie abwechselnd Licht unterschied licher Wellenlänge abgibt und durch den Prüfkörper einstrahlt. Im Wellenlängenbereich zwischen 500 und 1000 nm zeigen die meisten Metalle nämlich ein sehr unterschiedliches Reflektionsverhalten. Es schwankt bei Stahl von 0,5 bei 500 nm bis 0,9 bei 1000 nm. Durch Einstrahlung unterschiedlicher Frequenzen wird es möglich, eine Signalantwort zu bekommen, die nur von dem frequenzabhängigen Reflektionsverhalten am Eindruck abhängt. Ein solches Signal läßt sich meßtech nisch mit einer wesentlich höheren Empfindlichkeit verarbeiten. Eine solche Vorgehensweise würde sich etwa bei kleinen Lasten anbieten.

Im folgenden wird anhand der Zeichnung ein Ausführungs beispiel der Erfindung näher beschrieben.

Es zeigt:

Fig. 1 eine Schemaskizze eines erfindungsgemäßen Auf baus.

Die Darstellung zeigt, wie die Härte eines zu prüfen den Körpers 9, also der Probe, festgestellt werden kann. Auf die Probe bzw. den zu prüfenden Körper 9 wird dabei (auf nicht dargestellte Weise) Kraft aus geübt, die gleichzeitig auf bekannte Weise gemessen und festgehalten wird. Die Kraft wird mittels eines Prüfkörpers 8, beispielsweise eines Diamanten P, aus geübt.

Ein Funktionsgenerator 1 veranlaßt gleichzeitig einen Sender 2, Licht bekannter und vorgegebener Wellenlänge abzugeben. Dieses Licht wird über einen Lichtleiter 6 zum Prüfkörper 8 weitergeführt. Der Prüfkörper 8 wird von dem Licht durchstrahlt; er ist rund und konus förmig; andere Formen sind je nach Meßtechnik und Material möglich. Beim Eindrücken entsteht zwischen dem Prüfkörper 8 und der Probe bzw. dem zu prüfenden Körper 9 an der Eindruckstelle eine Grenzfläche A_E. Diese Grenzfläche stellt einen Übergang Prüfkörper zu Metall dar. Der Reflektionsgrad an solchen Übergängen ist naturgemäß außerordentlich groß. Der ganz überwie gende Teil des Lichtes wird reflektiert in den licht durchlässigen Prüfkörper 8 hinein und wird über einen zweiten Lichtleiter 7 aus dem Prüfkörper 8 abgeführt. Der Lichtleiter 7 führt zu einem Empfänger 3, der ein Signal über die Stärke der gesamten reflektierten Lichtmenge an eine Auswerteeinrichtung 4, 5 weitergibt. Die Auswerteeinrichtung 4, 5 weist zunächst einen selektiven Verstärker 4 mit Kompensator auf sowie ferner eine Analoganzeige 5. Der selektive Verstärker kann zugleich mit Daten über die auf den Prüfkörper 8 und damit auf den zu prüfenden Körper 9 ausgeübte Kraft zugeführt werden, die er bei der Ermittlung des Härtewertes zu berücksichtigen hat. Ferner können auch Daten über das Reflexionsvermögen des Metalls, die Form und Art der Oberfläche des Prüfkörpers 8 usw. schaltungstechnisch berücksichtigt oder über andere Vorrichtungen zugeführt werden.

Da die Größe der Oberfläche A_E praktisch der Größe der eingedrückten Oberfläche des zu prüfenden Körpers 9 entspricht bzw. aufgrund der vorgegebenen Form des Prüfkörpers 8 ohne weiteres ermittelt werden kann bzw. bekannt ist, gibt die an der Grenzfläche A_E reflek tierte Lichtmenge exakt einen Wert für die Größe dieser Fläche an. Die reflektierte Lichtmenge ist proportional zur Fläche A_E.

Zu berücksichtigen ist noch, daß der Reflexionsgrad an den anderen Übergängen zwischen Luft und Lichtleiter sowie Lichtleiter und Prüfkörper möglichst klein gehal ten werden muß. Dies kann man erreichen, indem man für diese Komponenten Werkstoffe auswählt, die ähnliche optische Konstanten n und k haben. Um Gleichlichtan teile auszuschalten, wird die optische Anordnung gemäß Fig. 1 mit Wechselsignalen betrieben. Als Sender ge eignet sind hierbei je nach Intensitätsanforderung LEDs, Laserdioden oder gechoppte Gleichlichtquellen. Als Empfänger sind für den sichtbaren Spektralbereich und das nahe Infrarot insbesondere Fotodioden geeignet. Im langwelligen Bereich könnten pyroelektrische Empfän ger benutzt werden.

Der Verstärker sollte selektiv arbeiten, um die Gleich lichtanteile herauszufiltern. Zusätzlich erfüllt er eine Kompensatorfunktion, um die phasen- und frequenz gleichen Reflexionen an den Werkstoffübergängen der optischen Komponenten vom Gesamtsignal zu subtrahieren.

In der Praxis würde das rückgestreute Signal einmal vor dem Aufsetzen der Meßvorrichtung auf die Probe bzw. den zu prüfenden Körper 9 und einmal während des Aufsetzens bestimmt. Das eigentliche Meßsignal ist die Differenz aus beiden Messungen. Damit wird zugleich eine Justierung und Kalibrierung erzielt.

Als Prüfkörper 8 kämen sämtliche für den verwendeten Spektralbereich durchlässige Werkstoffe in Frage, die hart genug sind. Runde und konusförmige Prüfkörper könnten aus Glaskeramiken gefertigt werden. Bei der Verwendung von Diamanten, die vornehmlich bei der Herstellung von Vickers Eindringkörpern verwendet werden sollten, muß zusätzlich die Anisotropie des Diamantwerkstoffes in den Berechnungen berücksichtigt werden. Dabei muß ein erhöhter Fertigungsaufwand für derartige Prüfkörper in Kauf genommen werden.

Während für die Härteprüfung nach Vickers eine spezielle Prüfkörperform (Pyramide 136°) vorgeschrieben ist, ermöglicht die erfindungsgemäße Härteprüfung vorteil hafterweise unterschiedliche Prüfkörperformen.

Die Anordnung aus Fig. 1 läßt sich zusätzlich noch in einem anderen Meßmodus betreiben. Gestaltet man die Lichtquelle 2, also den Sender S, dergestalt, daß abwechselnd Licht unterschiedlicher Wellenlänge eingestrahlt würde, kann die Meßempfindlichkeit u. U. um einige Zehnerpotenzen gesteigert werden. Die meisten Metalle zeigen im Wellenlängenbereich von 500 bis 1000 nm ein sehr unterschiedliches Reflexionsverhal ten, wie einleitend bereits erwähnt.

Durch Einstrahlung unterschiedlicher Frequenzen ist es möglich, eine Signalantwort zu bekommen, die nur von dem frequenzabhängigen Reflexionsverhalten am Eindruck abhängt. Voraussetzung ist, daß die Stör signale aufgrund von unerwünschten Reflexionen und Streuungen an den anderen optischen Übergängen keine Frequenzabhängigkeit bzw. eine bekannte Frequenzab hängigkeit zeigen. Ein derartiges Signal ist meßtech nisch gut zu verarbeiten und führt zu einer höheren Empfindlichkeit. Eine solche Vorgehensweise würde sich etwa bei kleinen Lasten anbieten.

Claims

1. Verfahren zur Härteprüfung zur Erfassung der Härte, wobei ein Prüfkörper mit definierter Oberflächen form mit einer definierten Kraft auf einen zu prü fenden Körper gedrückt wird, dadurch gekennzeichnet, daß dem lichtdurchlässigen Prüfkörper (8) mittels eines Lichtleiters (6) Licht zugeführt und er von einem Lichtbündel durchstrahlt wird, daß das Licht bündel an der von dem zu prüfenden Körper (9) und dem Prüfkörper (8) gebildeten Grenzfläche, der Eindruckoberfläche (A_E) reflektiert wird, daß das reflektierte Licht mittels eines Lichtleiters (7) einem Empfänger (3) zugeführt, und daß aus dem reflektierten Signal auf die Größe der Eindruck oberfläche (A_E) geschlossen wird, die als Maß für die Härte des zu prüfenden Körpers genommen wird.

2. Vorrichtung zur Härteprüfung mit einem Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der lichtdurchlässige Prüfkörper (8) mittels eines Lichtleiters (6) mit einer Lichtquelle (2) verbunden ist, daß der Prüfkörper (8) mittels eines Licht leiters (7) mit einem Empfänger (3) verbunden ist, und daß der Empfänger (3) mit einer Auswerteein richtung (4, 5) verbunden ist, die das empfangene Signal in einen die Härte des zu prüfenden Körpers angebenden Analogwert umsetzt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Prüfkörper (8) ein Diamant ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekenn zeichnet, daß Licht der Wellenlänge größer 1 µm eingesetzt wird.

5. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Lichtquelle (2) LEDs, Laserdioden oder gechoppte Gleichlichtquellen eingesetzt werden.

6. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ausschaltung von Gleichlichtanteilen Wechselsignale eingesetzt werden.

7. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß wechselnd Licht unter schiedlicher, jeweils vorgegebener Wellenlänge eingesetzt wird.