DE3926676A1 - Penetration path evaluation system for hardness testingdevice - Google Patents

Penetration path evaluation system for hardness testingdevice

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Abstract

The hardness testing device evaluates the hardness of the test body (1) from the penetration depth of a relatively displaced reference body (2), with monitoring of the force characteristic as the reference body approaches the test body. The end of the penetration path is determined from the obtained characteristic curve.Pref. the test body is provided by a sphere attached to the endof a cylindrical pin, supported in a holder (5) for rotation about an axis (6), to move in a circular path in the direction of the reference body. This is mechanically coupled to a weighing cell (3), for measuring the exerted force.

Description

DefinitionenDefinitions

Im folgenden werden die Begriffe "Probekörper" und "Referenz­ körper" in der Weise verwendet, daß "Probekörper" den zu unter­ suchenden Gegenstand kennzeichnen, während "Referenzkörper" einen Gegenstand meint, der zur Prüfung des "Probekörpers" mit diesem in Kontakt gebracht wird.The following are the terms "specimen" and "reference body "used in such a way that" test specimen "the under Identify the searching object, while "reference body" means an object that is used to test the "test specimen" this is brought into contact.

Mit Hilfe des beschriebenen Verfahrens können beispielsweise Abriebfestigkeit oder Härte oder eine andere, die Festigkeit eines Stoffes beschreibende physikalisch technische Größe mehr oder weniger genau und mehr oder weniger direkt oder indirekt bestimmt werden.With the help of the described method, for example Abrasion resistance or hardness or another, the strength of a substance describing physically technical size more or less exactly and more or less directly or indirectly be determined.

Die Verhältnisse beim Meßvorgang und bei der Auswertung des Meßergebnisses werden durch die beiden Abbildungen Fig. 1 und Fig. 2 dargelegt.The conditions during the measuring process and during the evaluation of the measurement result are presented by two figures FIG. 1 and FIG. 2.

Stand der TechnikState of the art

Bisher wurden, zum Beispiel zur Beurteilung von Härte oder Abriebfestigkeit von Oberflächen, typischerweise die beiden fol­ genden, hier abstrakt formulierten Schritte durchgeführt:So far, for example, to assess hardness or Abrasion resistance of surfaces, typically the two fol The following steps, abstractly formulated here:

  • 1. Mit Hilfe eines Referenzkörpers bekannter Festigkeit wird die zu prüfende Oberfläche in definierter Weise belastet.1. With the help of a reference body of known strength loads the surface to be tested in a defined manner.
  • 2. Dann wird mit Hilfe von mehr oder weniger genauen Längen­ meßeinrichtungen eine Vermessung der geometrischen Ober­ flächenveränderung vorgenommen, die infolge der Belastung eingetreten ist.2. Then using more or less exact lengths measuring devices a measurement of the geometric upper area change made as a result of the load has occurred.

Das Ausmessen von geometrischen Veränderungen, die infolge defi­ nierter Belastung bei vorgeschriebenen Geometrien aufgetreten sind, wird beispielsweise zur Bestimmung der Härte (VICKERS-, BRINELL- oder ROCKWELL-HÄRTE) angewendet.The measurement of geometric changes that result from defi load with specified geometries are used to determine hardness (VICKERS-, BRINELL or ROCKWELL HARDNESS) applied.

In vielen Fällen, beispielsweise im Fall der Härteprüfung bei vielen Metallen, gibt es dabei kaum meßtechnische Schwierigkei­ ten, sofern glatte Oberflächen vorliegen und definierte entspre­ chend harte Referenzkörper, wie z. B. Diamantkristalle, Verwendung finden.In many cases, for example in the case of hardness testing many metals, there are hardly any technical difficulties provided there are smooth surfaces and defined ones chend hard reference body, such as. B. diamond crystals, use Find.

Im Fall sehr harter Substanzen mit unregelmäßig geformten Ober­ flächen, z. B. bei bestimmten Keramiken, treten jedoch Probleme auf. Sowohl das Anbringen einer definierten oberflächlichen Verformung durch einen geeigneten Referenzkörper als auch die quantitative Erfassung einer eingetretenen Verformung bereiten Schwierigkeiten. Zur Bestimmung der Abriebfestigkeit werden zum Beispiel zeit- und materialaufwendige Schleifverfahren (z. B. DIN 52 108 eingesetzt.In the case of very hard substances with an irregularly shaped upper surfaces, e.g. B. with certain ceramics, however, problems arise on. Both attaching a defined superficial Deformation by a suitable reference body as well prepare quantitative recording of a deformation that has occurred Difficulties. To determine the abrasion resistance Example of time-consuming and material-intensive grinding processes (e.g. DIN 52 108 used.

Vorgeschlagenes neues VerfahrenProposed new procedure

Demgegenüber hat das hier vorgeschlagene und bereits realisierte Verfahren zum einen den Vorteil, daß eine Messung in Sekunden­ schnelle durchgeführt werden kann.In contrast, what has been proposed and already implemented here The first method has the advantage that a measurement in seconds can be done quickly.

Es basiert darauf, daß anstelle eines eventuell stark fehlerbe­ hafteten Längenmaßes eine zwei- oder mehrdimensionale Kraftver­ laufskurve zur Bestimmung der Stabilität oder Festigkeit oder Härte usw. herangezogen werden soll. Deren, unter Umständen komplexe, Auswertung kann zu einer vielfältigen Beurteilung der Stabilität, bzw. der Oberflächengeometrie des Probekörpers ge­ nutzt werden.It is based on the fact that instead of one there may be a lot of errors adhered to a two or more dimensional force running curve to determine stability or strength or Hardness, etc. should be used. Their, under certain circumstances Complex, evaluation can lead to a diverse assessment of the Stability, or the surface geometry of the specimen ge be used.

Mehrdimensional bedeutet hier:Multidimensional here means:

Falls erforderlich, können Kräfte in verschiedenen Richtungen (z. B. parallel oder senkrecht zur Oberfläche) und als Funk­ tion der Zeit gemessen werden. Dadurch entstehen mehrdimen­ sionale Kraftverlaufskurven. Zusätzlich kann die Eindring­ tiefe des Referenzkörpers in den Probekörper gemessen und als weitere Kenngröße bei der Beurteilung der Härte bzw. des Verschleißes des Probekörpers dienen.If necessary, forces can be in different directions (e.g. parallel or perpendicular to the surface) and as a radio tion of time can be measured. This creates multiple dimensions sional force curves. In addition, the intrusion depth of the reference body measured in the specimen and as further parameter when assessing hardness or Serve wear of the test specimen.

Fig. 1 zeigt eine mögliche geometrische Ausführung der Mechanik und eine entsprechende Anordnung von Probe- (1) und Referenzkör­ per (2). Hier ist der Probekörper z. B. ein kugelförmiger Kera­ mikschleifkörper, der am Ende eines zylindrischen Stiftes fixiert ist. Dieser kann, in einem Halter (5) eingespannt, in einer Ebene parallel zur Zeichnungsebene motorisch um die Achse (6) gedreht werden, so daß der Schleifkörper sich auf einer Kreisbahn (4) in Richtung des Referenzkörpers bewegt. Auf diesem Weg kann die jeweilige Winkelposition des Probekörpers sehr präzise gemessen werden. Fig. 1 shows a possible geometric design of the mechanics and a corresponding arrangement of sample ( 1 ) and reference body by ( 2 ). Here is the test specimen z. B. a spherical Kera mikschleifkörper, which is fixed to the end of a cylindrical pin. Clamped in a holder ( 5 ), it can be rotated about the axis ( 6 ) in a plane parallel to the plane of the drawing, so that the grinding wheel moves on a circular path ( 4 ) in the direction of the reference body. In this way, the respective angular position of the test specimen can be measured very precisely.

In der Darstellung (Fig. 1) soll der Referenzkörper (2) eine mit Diamantstaub besetzte Fläche mit sehr hoher Abriebfestigkeit sein, die mit einer Wägezelle (3) mechanisch so verbunden ist, daß die am Referenzkörper parallel zur Oberfläche in Richtung zur Wägezelle wirkende Kraft gemessen werden kann.In the illustration ( Fig. 1), the reference body ( 2 ) should be a surface covered with diamond dust with very high abrasion resistance, which is mechanically connected to a load cell ( 3 ) in such a way that the force acting on the reference body parallel to the surface in the direction of the load cell can be measured.

Alternativ ist eine Ausführung vorgesehen, bei der sich anstelle des Probekörpers (1) der Referenzkörper in Form einer Diamant­ spitze (beispielsweise Vickers- oder Rockwell-Diamant) in der drehbaren Halterung befindet. Dieser kann in ritzender Weise über die Oberfläche des nun anstelle von Fig. 1, 2 befindlichen Probekörpers bewegt werden. Damit kann eine Aussage über die Struktur eines bezüglich der Härte inhomogenen Körpers auf folgende Weise gewonnen werden:Alternatively, an embodiment is provided in which the reference body in the form of a diamond tip (for example Vickers or Rockwell diamond) is located in the rotatable holder instead of the test body ( 1 ). This can be moved in a scratching manner over the surface of the specimen which is now in place of FIGS. 1, 2. A statement about the structure of a body that is inhomogeneous in terms of hardness can be obtained in the following way:

Untersucht man z. B. eine Schleifkeramik als Probekörper, so können die auftretenden Sprünge in der Kraft-Winkel-Kurve der Festigkeit der Bindung einzelner Schleifkörper zugeordnet wer­ den. Damit wird eine Aussage über eine, in der Fachliteratur speziell für Schleifkörper geforderte und definierte Härte möglich.If you examine e.g. B. a grinding ceramic as a test specimen, so the jumps occurring in the force-angle curve of the Strength of the bond of individual grinding wheels assigned the. This makes a statement about one in the specialist literature Hardness specifically required and defined for grinding tools possible.

Um zusätzliche Informationen über den Abrieb und die Verschleiß­ festigkeit eines Probekörpers gewinnen zu können ist eine Messung der Eindringtiefe des Referenzkörpers in den Probekörper während der wiederholten Belastung vorgesehen. Dazu wird der gesamte Kraftaufnehmer inklusive Probekörper in radialer Richtung rela­ tiv zur Drehbewegung des Halters mit einer definierten Kraft-Weg- Relation in Position gehalten. Beispielsweise kann der Kraftauf­ nehmer federnd gelagert (lineares Kraft-Weg-Verhältnis) oder auch mit Hilfe einer aufwendigen Steuerung (zusätzliche Mechanik und Elektronik) mit einem beliebigen definierten Kraft-Weg-Verhältnis an seiner Position gehalten werden.For additional information on abrasion and wear  Being able to gain the strength of a test specimen is a measurement the depth of penetration of the reference body into the specimen during the repeated load provided. To do this, the whole Force transducer including test specimen in the radial direction rela tiv for the rotary movement of the holder with a defined force-displacement Relation held in position. For example, the force participants spring-loaded (linear force-displacement ratio) or with the help of a complex control (additional mechanics and Electronics) with any defined force-displacement ratio be held in place.

Infolge dieser, beispielsweise elastischen Kraft ist nun der Kraftaufnehmer in der Lage, bei Belastung in definierter Weise auszuweichen. Die Bewegung in dieser Richtung kann mit Hilfe eines elektronischen Meßschiebers durch den Rechner überwacht und aufgezeichnet werden. Damit kann die Eindringtiefe des Referenz­ körpers in den Probenkörper zu jedem Zeitpunkt der Belastung gemessen und für die Beurteilung der (Verschleiß-) Festigkeit herangezogen werden.As a result of this, for example elastic force, the Force transducers are able to withstand loads in a defined manner to dodge. The movement in this direction can be done with the help an electronic caliper is monitored by the computer and to be recorded. This allows the depth of penetration of the reference body in the sample body at all times of the load measured and for the assessment of (wear) strength be used.

Beispiel für einen MeßvorgangExample of a measuring process

Zu Beginn einer Messung wird der Probekörper auf den Referenzkör­ per zu bewegt. Vor und nach dem Kontakt zwischen beiden wird eine Kraftverlaufskurve gemessen, die schematisch in Fig. 2, 7 darge­ stellt ist. Durch Wechselwirkung zwischen den Oberflächen während des Kontaktes sind Veränderungen derselben möglich.At the start of a measurement, the test specimen is moved towards the reference specimen. Before and after the contact between the two, a force curve is measured, which is shown schematically in Fig. 2, 7 Darge. Interaction between the surfaces during contact makes it possible to change them.

An einer geeignet gewählten Position (abhängig vom gerade er­ reichten Kraft- oder Positionswert) wird die Drehrichtung des Motors umgeschaltet bis der mechanische Kontakt und damit die Kraftwirkung unterbrochen werden. Die erneute Annäherung von Referenz- und Probekörper zeigt einen Kraftverlauf (8) dessen Form durch die vorher erfolgte Wechselwirkung der Oberflächen verändert sein kann. Durch wiederholte Anwendung dieses Vorganges können mehrere solcher Kurven (9) gemessen werden. Aus den Veränderungen, die sich im Verlauf der Kraft als Funktion des Ortes (x) zeigen, kann auf Veränderungen an der Probenoberfläche geschlossen werden.At a suitably selected position (depending on the force or position value just reached), the direction of rotation of the motor is switched over until the mechanical contact and thus the force effect are interrupted. The renewed approximation of the reference and test specimens shows a force profile ( 8 ), the shape of which can be changed by the interaction of the surfaces that has taken place previously. By repeatedly applying this process, several such curves ( 9 ) can be measured. From the changes that show up in the course of the force as a function of the location (x) , changes on the sample surface can be concluded.

Beispielsweise deutet die meßbare Verschiebung (dx) (Fig. 2) zwischen Kurve (7) und Kurve (8) an, daß die der Kurve (8) vorausgegan­ gene Krafteinwirkung zu einer entsprechenden Abnutzung im Kon­ taktbereich der Oberflächen der beiden Körper geführt hat.For example, the measurable displacement (dx) ( Fig. 2) between curve ( 7 ) and curve ( 8 ) indicates that the curve ( 8 ) preceding force action has led to a corresponding wear in the contact area of the surfaces of the two bodies.

Beispiele für Anwendungen der Modifikationen des VerfahrensExamples of applications of the modifications of the method

Damit ist das Verfahren geeignet, beispielsweise die Festigkeit einer Probe gegenüber reibender, kratzender Belastung zu beurtei­ len.The method is therefore suitable, for example the strength a sample against rubbing, scratching stress len.

Außerdem kann mit einem solchen Verfahren die Wegmessung zur Bestimmung der Eindringtiefe bei herkömmlichen Härteprüfverfahren verbessert werden. Beispielsweise wird beim ROCKWELL-Härteprüfver­ fahren die Eindringtiefe eines kegelförmig geschliffenen Diaman­ ten im Probekörper unter definierter Last bestimmt. Wenn man, wie oben beschrieben, den Verlauf der Kraft während des Eindringens des Diamantkegels erfassen würde, könnte man die Analyse des Verlaufs auf die Oberflächen- und Volumeneffekte beim Eindring­ vorgang schließen. Damit könnte der Einfluß von Oberflächenbe­ schichtungen festgestellt und eliminiert, oder elastische und inelastische Komponenten der Verformung separiert und andere zusätzliche Informationen gewonnen werden.In addition, such a method can be used to measure the distance Determination of the depth of penetration with conventional hardness test methods be improved. For example, the ROCKWELL hardness test drive the penetration depth of a tapered diamond determined in the test specimen under defined load. If you like described above, the course of the force during the penetration of the diamond cone, one could analyze the  Course on the surface and volume effects during penetration close process. This could influence the surface strata detected and eliminated, or elastic and inelastic components of the deformation separated and others additional information can be obtained.

Zur Messung eignen sich besonders computergesteuerte Prüfgeräte, die mit speziellen Auswerteprogrammen ausgestattet werden, die eine ON-LINE-Analyse des Kraftverlaufs mit anschließender Anzeige bestimmter Kennwerte erlauben.Computer-controlled test devices are particularly suitable for measurement, that are equipped with special evaluation programs that an ON-LINE analysis of the force curve with subsequent display allow certain parameters.

Probe- und Referenzkörper der Fig. 1 können beliebig vertauscht werden und beliebige andere geometrische Formen besitzen. Bei­ spielsweise kann der Referenzkörper Stiftform, vielleicht mit Diamantspitze, besitzen und in den Probenhalter gespannt werden. Dementsprechend wird dann die Probe an der Wägezelle befestigt. Das Verfahren stellt dann eine neuartige Ritz-Härte-Prüfmethode dar, die in relativ einfacher Weise automatisiert und standardi­ siert werden kann.Sample and reference body of FIG. 1 can be interchanged as desired and have any other geometrical shapes. For example, the reference body can have a pin shape, perhaps with a diamond tip, and can be clamped in the sample holder. The sample is then attached to the load cell accordingly. The method then represents a novel Ritz hardness test method that can be automated and standardized in a relatively simple manner.

Die Relativbewegung von Probe- und Referenzkörper kann, abhängig von der Prüfgeometrie, sowohl einen schleifenden Kontakt bewir­ ken, als auch, ähnlich wie bei herkömmlichen Härteprüfverfahren, senkrecht zur Probenoberfläche verlaufen. Dabei kann die Bahn­ kurve, auf welcher sich die beiden Körper aufeinander zu bewegen und sich im Kontakt befinden sowohl zirkulare Form besitzen, wie in dem oben zur Verdeutlichung gewählten Beispiel, als auch linear verlaufen. Darüber hinaus kann jede andere Form im Raum gewählt werden. Damit können auch beliebige Winkel für das erste "In-Kontakt-treten" der Körper gewählt werden.The relative movement of the specimen and reference body can, depending from the test geometry, both cause a sliding contact ken, as well, similar to conventional hardness testing methods, run perpendicular to the sample surface. The train can curve on which the two bodies move towards each other and in contact are both circular in shape, such as in the example chosen above for clarification, as well run linear. It can also have any other shape in the room to get voted. It can also be used for any angle for the first "Get in touch" the body can be chosen.

Material und Form des Referenzkörpers sind nach Bedarf zu wählen, d. h. es kommen sowohl sehr harte Materialien (z. B. Diamant) als auch solche mit relativ zum Probekörper definiert gewählter Härte und Struktur (Porösität etc.) und definiertem Verschleißverhalten in Frage. Auf diese Weise können nahezu beliebig geformte Oberflächen eines weiten Spektrums von Probematerialien und -formen mit Hilfe des hier erläuterten Verfahrens geprüft werden.Material and shape of the reference body are to be selected as required, d. H. both very hard materials (e.g. diamond) come as also those with selected hardness defined relative to the test specimen and structure (porosity etc.) and defined wear behavior in question. In this way, almost arbitrarily shaped Surfaces of a wide range of sample materials and -forms are checked using the procedure explained here.

Zeichnungendrawings

Fig. 1 Beispiel eines typischen Meßaufbaus mit Probe- und Referenzkörper, FIG. 1, a typical test setup with sample and reference body,

Fig. 2 Darstellung von 3 typischen Kraftverlaufskurven vor und nach erfolgter Veränderung der Oberfläche. Fig. 2 representation of 3 typical force curves before and after the change of the surface.

Claims (10)

1. Verfahren zur Bestimmung der Länge eines Weges, dadurch gekennzeichnet, daß das Ende des Weges in geeigneter Weise aus der Orts- oder Zeitabhängigkeit der Kraft (Kraftverlaufs­ kurve) bestimmt wird, die zur Annäherung eines Referenzkör­ pers an einen Probekörper benötigt wird. Zu diesem Zweck ist die notwendige Kraft in geeigneter Weise zu messen.1. A method for determining the length of a path, characterized in that the end of the path is determined in a suitable manner from the location or time dependence of the force (force curve), which is required for the approximation of a reference body to a test specimen. For this purpose the necessary force has to be measured in a suitable way. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die auf die beschriebene Weise gemessenen Wege und Kraftverlaufs­ kurven, insbesondere auch die Strukturen der Kurven, zur Bestimmung von geometrischen Veränderungen allgemeiner Art an den zu prüfenden Oberflächen ausgewertet werden.2. The method according to claim 1, characterized in that the measured paths and force curve in the manner described curves, especially the structures of the curves, for Determination of general geometric changes the surfaces to be tested are evaluated. 3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die, durch die Einwirkung der Prüfkraft an der/den Ober­ fläche/n von Probe- und/oder Referenzkörper, aufgetretenen und mit Hilfe der Kraftverlaufskurven bewerteten Veränderun­ gen zur Beurteilung der Stabilität, bzw. der Beständigkeit im weiteren Sinne von Materialien oder Körpern bzw. deren Oberflächen, Verwendung finden.3. The method according to claim 1 and 2, characterized in that by the influence of the test force on the waiter area / s of test and / or reference body and change assessed using the force curve conditions for assessing the stability or durability in the wider sense of materials or bodies or their Find surfaces, use. 4. Verfahren nach Anspruch 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die nach wiederholter Anwendung des Vorganges zur Messung des Kraftverlaufes und die dadurch mehrfach in Folge auftretenden Kräfte und gemessenen Kraftverläufe in ihrer zeitlichen und räumlichen Entwicklung zur Beurteilung der Stabilität von Körpern und deren Oberflächen herangezogen werden.4. The method according to claim 1-3, characterized in that which after repeated application of the process for measuring the Force course and the occurring several times in succession Forces and measured force curves in their temporal and spatial development to assess the stability of Bodies and their surfaces are used. 5. Verfahren nach Anspruch 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß die beschriebenen Methoden zur Bestimmung der Abriebfestig­ keit oder Abnutzbarkeit von Körpern dienen.5. The method according to claim 1-4, characterized in that the described methods for determining the abrasion resistance body or wearability. 6. Verfahren nach Anspruch 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß die beschriebenen Methoden zur Bestimmung der Härte von Körpern dienen.6. The method according to claim 1-4, characterized in that the methods described for determining the hardness of Serve bodies. 7. Verfahren nach Anspruch 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß der Probekörper auf einer Kreisbahn (zirkular) bewegt wird und mit dem Referenzkörper mehr oder weniger schleifend in Berührung kommt.7. The method according to claim 1-6, characterized in that the test specimen is moved on a circular path (circular) and with the reference body more or less grinding in Touch comes. 8. Verfahren nach Anspruch 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß der Probekörper linear bewegt wird und mit dem Referenzkörper mehr oder weniger schleifend in Berührung kommt.8. The method according to claim 1-6, characterized in that the specimen is moved linearly and with the reference body comes into contact more or less abrasively. 9. Verfahren nach Anspruch 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß der Referenzkörper in Form einer Diamantspitze ausgeführt ist und in ritzender Weise in die Oberfläche des Probekörpers eindringt.9. The method according to claim 1-8, characterized in that the reference body is in the form of a diamond tip and scratched into the surface of the test specimen penetrates. 10. Verfahren nach Anspruch 1-9, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zu den Größen: Winkel und Kraft noch ein Maß für die Eindringtiefe bzw. die Abnutzung von Referenz und Probe­ körper erfaßt und zur Aussage über Härte und Verschleißfe­ stigkeit des Probekörpers herangezogen wird.10. The method according to claim 1-9, characterized in that in addition to the sizes: angle and force another measure for the depth of penetration or the wear of reference and sample body recorded and to provide information about hardness and wear stability of the test specimen is used.
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