LU88821A1 - Device for material testing with a micro stamp - Google Patents
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Description
Vorrichtung zur Materialprüfung mit einem MikrostempelDevice for material testing with a micro stamp
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Materialprüfung mit einem Mikrostempel oberhalb eines in zwei Koordinatenrichtungen waagrecht verstellbaren Probenhaltertisches und mit einem Mikroskop, das die optische Auswahl einer für die Materialprüfung geeigneten Stelle auf der Oberfläche einer Probe und die abschließende Analyse der geprüften Probe erlaubt.The invention relates to a device for material testing with a micro-stamp above a horizontally adjustable sample holder table in two coordinate directions and with a microscope, which allows the optical selection of a suitable location for material testing on the surface of a sample and the final analysis of the tested sample.
Aus der Druckschrift US-A-4 848 141 ist eine Methode zur Bestimmung der elastischen Festigkeit beim Kontakt zwischen zwei Körpern beschrieben. Diese Methode verwendet eine handelsübliche Prüfvorrichtung mit einem Mikrostempel oberhalb eines in zwei Koordinatenrichtungen waagrecht verstellbaren Probenhaltertisches. Dieser Stempel wird mit kontrollierten Kräften in eine ebene Oberfläche des zu prüfenden Werkstoffs hineingedrückt, wobei die Reaktionskraft der Probe in Abhängigkeit von Eindringungsweg und Eindringungszeit gemessen wird. Auf diese Weise können Kriecheigenschaften, • der Elastizitätsmodul, die Druckfestigkeit, der Elastizitätsbereich, der Plastizitätsbereich und die Bruchfestigkeit usw. gemessen werden. Um diese Messungen an ganz besonderes interessierenden Stellen der Probe, wie z.B. an Korngrenzen, durchführen zu können, bedarf es eines Mikroskops, mit dem die Probenoberfläche beobachtet werden kann und das eine Einstellung des Probenhaltertisches so erlaubt, daß der interessierende Bereich in Flucht zum Mikrostempel liegt.US-A-4 848 141 describes a method for determining the elastic strength in the contact between two bodies. This method uses a commercially available test device with a micro-stamp above a sample holder table that can be adjusted horizontally in two coordinate directions. This stamp is pressed with controlled forces into a flat surface of the material to be tested, the reaction force of the sample being measured as a function of the penetration path and penetration time. In this way, creep properties, • the modulus of elasticity, the compressive strength, the range of elasticity, the range of plasticity and the breaking strength etc. can be measured. To make these measurements at very special points of interest on the sample, e.g. at grain boundaries, a microscope is required with which the sample surface can be observed and which allows the sample holder table to be adjusted so that the area of interest is in alignment with the micro-stamp.
Wenn die mechanischen Eigenschaften der Werkstoffprobe bei höheren Temperaturen (beispielsweise 1500 K) und unter bestimmter Atmosphäre untersucht werden sollen, ist außerdem eine Aufheizvorrichtung mit entsprechender Wärmeabschirmung und Gasabdichtung notwendig, damit Probe undIf the mechanical properties of the material sample are to be investigated at higher temperatures (for example 1500 K) and under a certain atmosphere, a heating device with appropriate heat shielding and gas sealing is also necessary so that the sample and
Stempel auf gleiche Temperatur gebracht werden können und die Materialprüfung unter einem Schutzgas, einer Gasmischung oder unter Vakuum erfolgen kann.Stamp can be brought to the same temperature and the material can be tested under a protective gas, a gas mixture or under vacuum.
Da der optische Zugang zur Probenoberfläche durch den Stempel und seine Halterung behindert ist, ist eine mikroskopische Betrachtung der untersuchten Stelle der Probe während der Einwirkung des Stempels unmöglich.Since the optical access to the sample surface is hindered by the stamp and its holder, microscopic observation of the examined area of the sample during the action of the stamp is impossible.
Aufgabe der Erfindung ist also, die Vorrichtung zur Materialprüfung der obengenannten Art dahingehend zu verbessern, daß die Versuche auch bei höherer Temperatur und unter kontrollierten Gasbedingungen durchgeführt werden können. Darüberhinaus soll mittels des Mikroskops die Eindruckstelle auf der Probenoberfläche vor dem Versuch ausgesucht und fixiert und nach dem Versuch zuverlässig und uneingeschränkt analysiert werden können.The object of the invention is therefore to improve the material testing device of the type mentioned above in such a way that the tests can also be carried out at higher temperatures and under controlled gas conditions. In addition, it should be possible to use the microscope to select and fix the indentation point on the sample surface before the experiment and to be able to analyze it reliably and without restriction after the experiment.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 definierte Vorrichtung gelöst.This object is achieved according to the invention by the device defined in claim 1.
Bezüglich von Merkmalen bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung wird auf die Unteransprüche verwiesen.With regard to features of preferred embodiments of the invention, reference is made to the subclaims.
Die Erfindung wird nun anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels und der beiliegenden einzigen Figur näher erläutert, die schematisch eine Vorrichtung gemäß der Erfindung zeigt.The invention will now be explained in more detail with reference to a preferred exemplary embodiment and the enclosed single figure, which schematically shows a device according to the invention.
Dieses Ausführungsbeispiel betrifft die Materialprüfung bei einer Temperatur von z.B. 1500 K und unter Vakuum oder einer Schutzgasatmosphäre, wobei die Probe auch radioaktiv sein kann, so daß alle PrüfVorgänge aus der Ferne, z.B. von außerhalb einer Strahlenabschirmung (Blei oder Beton) gesteuert und abgewickelt werden können.This embodiment relates to material testing at a temperature of e.g. 1500 K and under vacuum or a protective gas atmosphere, whereby the sample can also be radioactive, so that all test procedures from a distance, e.g. can be controlled and handled from outside a radiation shield (lead or concrete).
Die in der Figur gezeigte Maschine besitzt einen Mikroskopkopf 1 mit einem elektrisch fernbedienbaren und auf eine optische Hauptachse A zentrierten Objektivrevolver 2, dessen verschiedene Vergrößerungsobjektive 3 durch nicht dargestellte fernbetätigte Antriebsmittel fokussiert werden können. Eine Schalttafel 4 außerhalb des strahlenden Be reiche dient zur Steuerung der Mikroskopfunktionen und einer gegen radioaktive Strahlung abgeschirmten Fernsehkamera 5, die das Mikroskopbild aufnimmt und auf einen Bildschirm eines Rechners 6 überträgt. Der Mikroskopkopf 1 ist an einer Führungssäule 7 montiert und kann auf- und abwärtsbewegt werden. Die Führungssäule 7 ist auf einem Boden 8 der Vorrichtung starr befestigt.The machine shown in the figure has a microscope head 1 with an electrically remote-controlled lens turret 2, which is centered on an optical main axis A, the various magnifying lenses 3 of which can be focused by remote-controlled drive means (not shown). A control panel 4 outside the radiating region is used to control the microscope functions and a television camera 5 shielded against radioactive radiation, which takes the microscope image and transmits it to a screen of a computer 6. The microscope head 1 is mounted on a guide column 7 and can be moved up and down. The guide column 7 is rigidly attached to a bottom 8 of the device.
Unterhalb des Mikroskops ist ein auf dem Boden der Vorrichtung definiert verschiebbarer Probenhaltertisch 15 zur Achse A zentriert sichtbar, der eine Probe 10 trägt.Below the microscope, a sample holder table 15, which can be displaced in a defined manner on the bottom of the device and is centered on the axis A and which carries a sample 10, is visible.
Durch ein Objektiv 3 mit gewünschter Vergrößerung und eingeblendetem Meßfadenkreuz wird der Ort für eine lokale thermomechanische Druckverformung über einen Mikrostempel 9 auf der polierten Oberfläche der Probe 10 durch ferngesteuertes Verschieben des Probenhaltertisches in zwei Koordinatenrichtungen über Schrittmotoren 13 und 14 festgelegt, die auf zwei senkrecht zueinander bewegliche Schlitten 11 und 12 des Probenhaitertisches einwirken.Through a lens 3 with the desired magnification and superimposed measuring crosshairs, the location for local thermomechanical pressure deformation via a micro-stamp 9 on the polished surface of the sample 10 is determined by remote-controlled displacement of the sample holder table in two coordinate directions via stepper motors 13 and 14, which are movable in two mutually perpendicular directions Act on slide 11 and 12 of the sample holder table.
Der Probenhaltertisch 15 sitzt zusammen mit den Verstellmotoren 13 und 14 auf einem Wagen 16, der den Probenhaltertisch mit Hilfe eines Linearmotors 17 von der rechts in der Figur gezeigten Stellung in Flucht zur Achse A in eine zweite Stellung überführt, in der er in Flucht zu einer dazu parallelen Achse B liegt. Dies ist die eigentliche Materialprüfstellung, während in der rechten Stellung (Achse A) das Mikroskop uneingeschränkt die Probe 10 beobachten kann, und zwar sowohl vor der Prüfung, um die richtige Stelle der späteren Prüfung auszuwählen, als auch nach der Prüfung, um den Eindruck eines Mikrostempels 9 zu analysieren, der in Flucht zur Achse B angeordnet ist.The sample holder table 15 sits together with the adjustment motors 13 and 14 on a carriage 16 which, with the aid of a linear motor 17, transfers the sample holder table from the position shown on the right in the figure in alignment with axis A to a second position in which it is in alignment with one axis B lying parallel thereto. This is the actual material test position, while in the right position (axis A) the microscope can observe the sample 10 unrestrictedly, both before the test to select the correct location of the later test and after the test to give the impression of a To analyze micro-stamp 9, which is arranged in alignment with the axis B.
Der Probenhaltertisch 15 enthält weiter Heizmittel 43 für die Probe, um letztere auf die gewünschte Prüftemperatur zu bringen, außerdem Kühlmittel 44 am Umfang des Probenhalters, um die umstehenden Instrumente vor der hohen Probentemperatur zu schützen. Der Strahlungswärmeverlust der Heiz- mittel 43 entgegen der Heizrichtung wird durch kombinierte Strahlungs- und Wärmeleitungsbarrieren 46 verringert. Die Heizmittel 43 werden mit einer nicht dargestellten Heizstromquelle über Klemmen 45 automatisch verbunden, wenn sich der Probenhaltertisch in Flucht zur Achse B befindet. In den Probenhalter 42 ist weiter ein Thermoelement 48 eingebaut, das die Temperatur der Probe 10 kontinuierlich zu messen erlaubt.The sample holder table 15 also contains heating means 43 for the sample in order to bring the latter to the desired test temperature, and also coolant 44 on the circumference of the sample holder in order to protect the surrounding instruments from the high sample temperature. The radiation heat loss of the heating means 43 in the opposite direction to the heating direction is reduced by combined radiation and heat conduction barriers 46. The heating means 43 are automatically connected to a heating current source, not shown, via terminals 45 when the sample holder table is in alignment with the axis B. A thermocouple 48 is also installed in the sample holder 42, which allows the temperature of the sample 10 to be measured continuously.
Der Boden 8 der Vorrichtung ist ein wassergekühlter Tisch, um jede Verformung durch Temperatureinflüsse zu vermeiden, so daß der Probenhaltertisch sehr genau definiert auf nicht gezeigten Führungsschienen zwischen den beiden durch die Achsen A und B definierten Endstellungen hin- und hergefahren werden kann.The bottom 8 of the device is a water-cooled table in order to avoid any deformation due to temperature influences, so that the sample holder table can be moved back and forth between the two end positions defined by the axes A and B in a very precisely defined manner on guide rails, not shown.
Die eigentliche Materialprüfung findet statt, wenn der Probenhaltertisch 15 sich in der durch die Achse B definierten Lage befindet. Die eigentliche Vorrichtung zur Materialprüfung besteht aus dem Mikrostempel 9, der in Reihe mit einer Meßdose 28 auf dem Kopfstück 27 einer Krafterzeugungsvorrichtung 26 montiert ist. Diese enthält einen piezoelektrischen Weggeber 38 und einen Stellmotor 24, der über eineThe actual material testing takes place when the sample holder table 15 is in the position defined by the axis B. The actual device for material testing consists of the micro stamp 9, which is mounted in series with a load cell 28 on the head piece 27 of a force generating device 26. This contains a piezoelectric displacement sensor 38 and a servomotor 24, which has a
Gewindespindel 25 den Mikrostempel entlang der Achse B ver- • schieben kann. Der Verschiebeweg wird durch Zählung der Schrittimpulse des Motors 24 gemessen. Der Schrittschaltmotor 24 dient der Einstellung des Mikrostempels 9 vor Beginn der Prüfung, bis die Spitze gerade auf der Probe 10 auf-liegt. Dies wird in der Kraftmeßdose 28 ermittelt. Die eigentlich Prüfkraft, mit der der Stempel 9 in die Probe 10 gedrückt wird, wird in der Krafterzeugungsvorrichtung 26 durch piezoelektrische Elemente reproduzierbar erzeugt.Threaded spindle 25 can move the micro-stamp along axis B. The displacement is measured by counting the step pulses from the motor 24. The stepper motor 24 is used to adjust the micro-stamp 9 before the start of the test until the tip just lies on the sample 10. This is determined in the load cell 28. The actual test force with which the stamp 9 is pressed into the sample 10 is reproducibly generated in the force generating device 26 by piezoelectric elements.
Diese Krafterzeugungsvorrichtung 26 sitzt in einem Führungsgehäuse 30, das mit einem thermostatisch geregelten Wasserkreislauf verbunden ist. Die Wasserzu- und -abfuhr erfolgt über Leitungen 31 und 32, die mit Faltenbälgen ausgerüstet sind, um die Bewegung der Krafterzeugungsvorrich tung 26 zu berücksichtigen. Das Gehäuse 30 ist mit einem dieses umgebenden, ebenfalls wassergekühlten Vakuumgehäuse 18 verschraubt und ist in Gleitlagern 33 und 34 geführt sowie über eine spielfreie Mechanik 37 gegen Verdrehen gesichert .This force generating device 26 sits in a guide housing 30 which is connected to a thermostatically controlled water circuit. The water supply and discharge takes place via lines 31 and 32, which are equipped with bellows to take into account the movement of the force generating device 26. The housing 30 is screwed to a surrounding, also water-cooled vacuum housing 18 and is guided in slide bearings 33 and 34 and secured against rotation by a play-free mechanism 37.
Berührungslos schaltende Endschalter 35 und 36 leiten die Rückstellung des ganz ausgefahrenen Mikrostempels 9 in die Ausgangslage ein.Non-contact limit switches 35 and 36 initiate the return of the fully extended micro-stamp 9 to the starting position.
Die Druckfläche des Mikrostempels 9 soll die gleiche Temperatur wie die Oberfläche der Probe 10 besitzen. Durch einen vertikal beweglichen konzentrischen Schirm 40 aus Stahlblechen und eine zusätzliche kontrollierte Heizung innerhalb des Schirms wird diese Angleichung bewirkt. Eine kleine seitliche Öffnung im Schirm 40 erlaubt es, die Temperatur des Mikrostempels 9 und der Probe 10 an der Berührungsstelle kontinuierlich mit einem Infrarotthermometer 41 zu messen.The pressure surface of the micro stamp 9 should have the same temperature as the surface of the sample 10. This adjustment is brought about by a vertically movable concentric screen 40 made of sheet steel and an additional controlled heating within the screen. A small lateral opening in the screen 40 makes it possible to continuously measure the temperature of the micro-stamp 9 and the sample 10 at the point of contact with an infrared thermometer 41.
Das Vakuumgehäuse 18 und die an ihm hängenden Organe der Materialprüfvorrichtung werden an Rundstäben 20 und 21 geführt und können mittels federgekoppelter Hubstangenmotoren 22 und 23 so weit angehoben werden, daß der Probenhaltertisch ohne Behinderung von der Stellung gemäß der Achse AThe vacuum housing 18 and the organs of the material testing device hanging on it are guided on round rods 20 and 21 and can be raised by means of spring-coupled lifting rod motors 22 and 23 to such an extent that the sample holder table can move freely from the position along axis A
* in die Stellung gemäß Achse B gefahren werden kann und umgekehrt. Nach dem Absetzen des Gehäuses 18 auf dem Probenhaltertisch sorgt eine Runddichtung 19 für die Dichtheit zwischen dem Tisch und der Prüfvorrichtung.* can be moved into the position according to axis B and vice versa. After the housing 18 has been placed on the sample holder table, a round seal 19 ensures the tightness between the table and the test device.
Nun wird der Betrieb der erfindungsgemäßen Vorrichtung näher beschrieben:The operation of the device according to the invention will now be described in more detail:
In einer ersten Phase wird der Wagen 16 mit dem Probenhaltertisch 15 mit Hilfe des Motors 17 in Flucht zur Mikroskopachse A gebracht. In dieser Stellung kann über die Fernsehkamera 5 und den Bildschirm des Rechners 6 die polierte Oberfläche der Probe 10 beobachtet werden, und man kann durch Verstellung des Probenhaitertisches 15 über die Wagen 11 und 12 mit Hilfe der Motoren 13 und 14 eine für dieIn a first phase, the carriage 16 with the sample holder table 15 is brought into alignment with the microscope axis A with the aid of the motor 17. In this position, the polished surface of the sample 10 can be observed via the television camera 5 and the screen of the computer 6, and one can be adjusted by moving the sample holder table 15 via the carriages 11 and 12 using the motors 13 and 14
Materialprüfung interessierende Stelle auf der Probe auswählen. Der so eingestellte Probenhaitertisch 15 wird dann in Flucht zum Mikrostempel 9 gebracht, wobei das wassergekühlte Vakuumgehäuse 18 mit Hilfe der Motoren 22 und 23 leicht angehoben ist. Nach dem Absetzen dieses Gehäuses und der an ihm hängenden Organe sorgt die Dichtung 19 für die Gesamtdichtheit, so daß mit einer Pumpenanordnung 47 nötigenfalls ein Vakuum im Gehäuse 18 hergestellt werden kann. Man kann auch den Mikrostempel durch die innerhalb der Abschirmung 40 liegende Heizung auf eine Temperatur in der Nähe der gewünschten Temperatur der Probe für die Prüfung bringen. Letztere wird über die Heizmittel 43 eingestellt, die über die Klemmen 45 mit Strom versorgt werden. Dabei wird die Temperatur durch das Thermoelement 48 und durch das Infrarotthermometer 41 gemessen.Select the point of interest on the sample that is relevant to the material test. The sample holder table 15 set in this way is then brought into alignment with the micro-stamp 9, the water-cooled vacuum housing 18 being slightly raised by means of the motors 22 and 23. After removal of this housing and the organs hanging from it, the seal 19 ensures the overall tightness, so that, if necessary, a vacuum can be produced in the housing 18 with a pump arrangement 47. The micro-stamp can also be brought to a temperature near the desired temperature of the sample for testing by the heater located within shield 40. The latter is set via the heating means 43, which are supplied with power via the terminals 45. The temperature is measured by the thermocouple 48 and by the infrared thermometer 41.
Wahlweise kann das Vakuumgehäuse auch mit einem Schutzgas gefüllt werden, um eine Oxidation der Probe bei der hohen Temperatur zu verhindern.Optionally, the vacuum housing can also be filled with a protective gas to prevent oxidation of the sample at the high temperature.
Nachdem die gewünschte Atmosphäre hergestellt ist und die im Rechner 6 vorgegebenen gewünschten Temperaturen für den Stempel und die Probe erreicht sind, wird der Mikrostempel mit Hilfe des Stellmotors 24 auf die Probe abgesenkt, * wobei der Stellmotor anhält, sobald die Kraftmeßdose 28 einen Kontakt zur Probe feststellt. Aus dieser definierten Lage heraus wird der gewünschte Meßimpuls durch die Krafterzeugungsvorrichtung 26 auf den Mikrostempel 9 und damit die Probe ausgelöst.After the desired atmosphere has been established and the desired temperatures for the stamp and the sample specified in the computer 6 have been reached, the micro-stamp is lowered onto the sample with the aid of the servomotor 24, * the servomotor stopping as soon as the load cell 28 makes contact with the specimen notes. From this defined position, the desired measuring pulse is triggered by the force generating device 26 on the micro-stamp 9 and thus the sample.
Dabei können zahlreiche Kombinationen von Kraftfunktionen in Abhängigkeit vom Verformungsweg, von der Probentemperatur und der Zeit im Zusammenspiel mit der Kraftmeßdose 28, dem piezoelektrischen Weggeber 38 und zusätzlichen unabhängigen Weggebern 39 erzeugt werden.Numerous combinations of force functions can be generated depending on the deformation path, the sample temperature and the time in interaction with the load cell 28, the piezoelectric displacement sensor 38 and additional independent displacement sensors 39.
Nach dem PrüfVorgang wird das Vakuumgehäuse belüftet und über die Motoren 22 und 23 etwas angehoben, so daß der Wagen 16 mit dem Probenhaltertisch 15 wieder in die Inspek tionsstellung in Flucht zur Mikroskopachse A gebracht werden kann. Hier erfolgt die abschließende Analyse der Materialprüfung durch Untersuchung des Abdrucks des Prüfstempels in der Materialprobe 10.After the test process, the vacuum housing is ventilated and slightly raised via the motors 22 and 23, so that the carriage 16 with the sample holder table 15 can again be brought into the inspection position in alignment with the microscope axis A. Here, the final analysis of the material test takes place by examining the impression of the test stamp in the material sample 10.
Alle Vorgänge nach dem Einsetzen der Probe 10 in den Probenhalter 42 des Tisches 15 werden über den Rechner 6 ferngesteuert, und der Rechner empfängt auch alle Meßdaten, z.B. vom piezoelektrischen Weggeber 38 und das Bild der Probe vom Mikroskop, so daß die ganze Vorrichtung fernsteuerbar ist und sich in einer für das Personal unzugänglichen Zelle (z.B. einer heißen Zelle) befinden kann, während die Bedienungsperson an einem sicheren Ort vor dem Rechner 6 sitzt.All processes after inserting the sample 10 into the sample holder 42 of the table 15 are remotely controlled by the computer 6, and the computer also receives all measurement data, e.g. from the piezoelectric displacement transducer 38 and the image of the sample from the microscope so that the entire device is remotely controllable and can be in a cell inaccessible to personnel (e.g. a hot cell) while the operator is in a safe place in front of the computer 6.
Die Erfindung ist nicht auf das im einzelnen dargestellte Ausführungsbeispiel beschränkt, das sich auf Kernbrennstof f proben und insbesondere auf eine Materialprüfung bei höherer Temperatur bezieht. Vielmehr kann man ggf. das Mikroskopbild unmittelbar beobachten und das Mikroskop sowie der Probenhaltertisch von Hand betätigen.The invention is not limited to the exemplary embodiment shown in detail, which relates to nuclear fuel samples and in particular relates to a material test at a higher temperature. Rather, you can directly observe the microscope image if necessary and operate the microscope and the sample holder table by hand.
Claims (4)
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| WO2015159114A3 (en) * | 2014-04-14 | 2015-12-10 | Óbudai Egyetem | Apparatus and method for measuring hot hardness of materials |
-
1996
- 1996-10-01 LU LU88821A patent/LU88821A1/en unknown
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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| US9021874B2 (en) | 2010-06-18 | 2015-05-05 | Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. | Apparatus and method for testing the adhesive strength of a coating on a substrate |
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