DE4210599C2 - Device for microscopic hardness testing - Google Patents
Device for microscopic hardness testingInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur mikroskopischen Härteprüfung von Werkstücken gem. dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wie sie aus "Journal of the American Ceramic" Soc. 73, Seiten 787 ff (1990) von Cook und Pharr, Direct Observation and Analysis . . . , und dort insbesondere Seite 790, bekannt ist.The invention relates to a device for microscopic hardness testing of workpieces acc. the preamble of claim 1, as derived from "Journal of the American Ceramic" Soc. 73, pages 787 ff (1990) by Cook and Pharr, Direct Observation and Analysis. . . , and there in particular page 790, is known.
Diese Vorrichtung entspricht einer Härteprüfvorrichtung, mit der in transparenten Werkstüc ken das Eindringen eines Prüfkörpers mikroskopisch beobachtet werden kann und so Aus sagen über Fließvorgänge und Rißentstehendung gemacht werden können. Diese Vorrich tung gestattet an kleinen planen Modellscheiben die direkte mikroskopische Beobachtung von Ritzvorgängen und Härteeindrücken unter Last, wobei die Vorgänge durch das transpa rente Werkstück (anorganische oder organische Gläser, Kristalle usw.) entgegen der La steinwirkung betrachtet werden. Hierdurch ist eine unmittelbare Korrelation der erhaltenen Meßwerte mit den in der vom Prüfkörper beanspruchten Oberflächenzone ablaufenden Ver schleißvorgängen (z. B. plastisches Fließen und Rißbildung) möglich.This device corresponds to a hardness test device with which in transparent workpieces The penetration of a test specimen can be observed microscopically and so off say about flow processes and crack formation can be made. This device device allows direct microscopic observation on small, flat model disks of scratching and hardness impressions under load, the processes by the transpa annuity workpiece (inorganic or organic glasses, crystals etc.) against the La stone effect can be considered. This is a direct correlation of those obtained Measured values with the ver. Running in the surface zone claimed by the test specimen wear processes (e.g. plastic flow and cracking) possible.
Aus der DE-OS 16 48 494 ist es bereits bekannt, Proben über Waagebalken zu belasten. Die Probenaufnahmeeinrichtung wird jedoch derart kompliziert geregelt, daß sie für den Einsatz insbesondere in einer normalen Versuchswerkstatt nicht einsetzbar erscheint. Auch aus der japanischen Anmeldung 64-226540, vgl. z. B. die englischsprachige Zusammenfassung JP3-89138(A), in: Patents Abstr. of Japan, Sect. P, Vol. 15, Nr. 268 (1991), (P-412), ist eine Prüfeinrichtung bekannt, mittels der ebenfalls eine Probe mit einer Belastungseinrichtung über Waagebalken belastbar ist. Diese Einrichtung weist weiterhin Kraftaufnehmer und eine Auswerteeinrichtung auf.From DE-OS 16 48 494 it is already known to load samples over balance beams. The However, the sample receiving device is regulated in such a complicated manner that it is suitable for use appears to be unusable, particularly in a normal test workshop. Also from the Japanese application 64-226540, cf. e.g. B. the English summary JP3-89138 (A), in: Patents Abstr. of Japan, Sect. P, Vol. 15, No. 268 (1991), (P-412), a test device is known, by means of which also a sample can be loaded with a load device via a balance beam. This facility continues to point Force transducers and an evaluation device.
Die obengenannten Vorrichtungen sind jedoch insbesondere nicht für die Prüfung von groß flächigen und/oder gekrümmten Werkstücken geeignet, weil die Steuerung der Belastung des Prüfkörpers der Krümmung des Werkstückes angepaßt werden muß und Auslenkungen des Prüfkörpers in Folge der Krümmung zu erheblichen Meßfehlern führen können.However, the above devices are not particularly large for testing flat and / or curved workpieces suitable because the control of the load of the test specimen must be adapted to the curvature of the workpiece and deflections of the test specimen can lead to significant measurement errors as a result of the curvature.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, die Vorrichtung derart weiterzubilden, daß die Prüfung von großflächigen transparenten Werkstücken präzise ermöglicht wird und insbesondere ge ringe Belastungen von z. B. weniger als 10 mN durchgeführt werden können.The object of the invention is therefore to develop the device in such a way that the test of large-area transparent workpieces is precisely made possible and in particular ge rings loads of z. B. less than 10 mN can be performed.
Diese Aufgabe wird durch die Vorrichtung nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestal tungen der Vorrichtung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.This object is achieved by the device according to claim 1. Advantageous design lines of the device are characterized in the subclaims.
Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung wird erreicht, daß großflächige Werkstücke bela stet und gemessen werden können, und durch das weiche Belastungssystem können prä zise auch kleinste Belastungen auf große und/oder gekrümmte Flächen aufgebracht wer den.The device according to the invention ensures that large workpieces are loaded stead and can be measured, and by the soft load system pre Even the smallest loads are applied to large and / or curved surfaces the.
Mit der Vorrichtung zur mikroskopischen Härteprüfung und ggf. mit Zusatzgeräten können eine Vielzahl unterschiedlicher Verfahren zur Charakterisierung der mechanischen Oberflä cheneigenschaften von transparenten Werkstücken mit demselben Meßaufbau realisiert werden, und zwarWith the device for microscopic hardness testing and, if necessary, with additional devices a variety of different methods to characterize the mechanical surface Properties of transparent workpieces realized with the same measurement setup become, namely
- - konventionelle Mikrohärtemessung nach der Entlastung,- conventional micro hardness measurement after unloading,
- - registrierende Mikrohärtemessung während der Belastung,- recording micro hardness measurement during exercise,
- - Eigenspannungsmessungen mit Hilfe von Entlastungsrissen,- residual stress measurements with the help of relief cracks,
- - Ritztest,- scratch test,
- - Schichtablösetest beim Ritzen,- delamination test when scratching,
- - Verschleißtest,- wear test,
- - Charakterisierung der Wirkung von Schneidrädchen,- characterization of the effect of cutting wheels,
- - Rauhigkeitsmessungen,- roughness measurements,
- - Messung von Reibungskoeffizienten.- Measurement of friction coefficients.
Während der Durchführung der verschiedenen Prüfungen können die Vorgänge in der Kon taktzone Prüfkörper-Werkstückoberfläche mikroskopisch beobachtet werden.The operations in the con tact zone specimen workpiece surface can be observed microscopically.
Wesentlich bei der vorgestellten Erfindung ist, daß diese Prüfungen an großflächigen Werk stücken vorgenommen werden können, die nicht mehr eben zu sein brauchen. It is essential in the presented invention that these tests on large-scale work can be made pieces that no longer need to be level.
Besonders vorteilhaft ist es, das elektromagnetische Belastungssystem als Tauchspulensy stem auszuführen, da hierbei eine feinabgestimmte Belastung erfolgen kann.It is particularly advantageous to use the electromagnetic loading system as a moving coil system stem as this can result in a fine-tuned load.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung dient der mikroskopischen Charakterisierung der me chanischen Oberflächeneigenschaften von großflächigen, unbeschichteten oder beschich teten gekrümmten oder ebenen, transparenten Werkstücken wie KfZ-Verglasungen, Bauver glasungen, Apparateglas, leicht gekrümmten Schalen aus anorganischen und organischen Glaswerkstoffen, sowie von transparenten Schichten, z. B. Lacken oder anderen Oberflä chenschichten. Wenn auf die direkte mikroskopische Beobachtung des Kontaktbereiches der zu prüfenden Oberfläche mit dem Prüfkörper verzichtet wird, so lassen sich mit gewissen Einschränkungen auch nichttransparente Werkstücke untersuchen. Für die Untersuchung der Härteeigenschaften von sehr dünnen Schichten auf dicken Substraten wird jedoch ein extrem empfindliches Kraftmeßsystem benötigt.The device according to the invention is used for microscopic characterization of the me mechanical surface properties of large-area, uncoated or coated curved or flat, transparent workpieces such as automotive glazing, building ver glazing, apparatus glass, slightly curved shells made of inorganic and organic Glass materials, as well as transparent layers, e.g. B. paints or other surfaces layers. If on the direct microscopic observation of the contact area of the surface to be tested with the test specimen can be dispensed with with certain Examine restrictions also on non-transparent workpieces. For the investigation The hardness properties of very thin layers on thick substrates, however, extremely sensitive force measuring system needed.
Diese Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß nicht mehr kleine ebene Proben aus großen Werkstücken entnommen werden müssen, vielmehr kann an großen Originalwerkstücken die Prüfung vorgenommen werden, was z. B. bei thermisch vorgespannten Glaswerkstücken besondere Bedeutung erlangt, da diese nach der thermischen Behandlung nicht mehr zer teilt werden können. Die Vorrichtung besteht aus folgenden funktionellen Einheiten:This invention is characterized in that flat small samples are no longer made from large ones Workpieces must be removed, rather can be on large original workpieces the test can be made, what z. B. in thermally toughened glass workpieces is of particular importance since it no longer breaks down after the thermal treatment can be shared. The device consists of the following functional units:
- - einem gestürzten Mikroskop mit CCD-Kamera, Monitor und Videorecorder (Pos. 1). Die Beobachtung der zu prüfenden Oberfläche erfolgt durch ein Mikroobjektiv mit sehr hohem Arbeitsabstand (z. B. U-Tischobjektiv, 10× bis 32×-Vergrößerung, Arbeitsabstand 10-20 mm) von unten her durch das zu prüfende transparente Werkstück. Die maximale Werkstückdicke S (z. B. Scheibendicke) wird dabei durch den Arbeitsabstand des Objektives L und durch den Brechwert n der Scheibe be stimmt (SLxn),- A fallen microscope with a CCD camera, monitor and video recorder (item 1). The surface to be tested is observed with a micro objective very high working distance (e.g. U-table lens, 10 × to 32 × magnification, Working distance 10-20 mm) from below through the transparent to be tested Workpiece. The maximum workpiece thickness S (e.g. slice thickness) is determined by the working distance of the lens L and by the refractive index n of the disc true (SLxn),
- - einer Beleuchtungsvorrichtung (Pos. 2) zur lichtstarken Beleuchtung des zu prüfen den Oberflächenbereiches, bestehend aus einer speziellen Faseroptik. Dabei ist we sentlich, daß die aus den Lichtleitfasern austretenden Lichtstrahlen an den Oberflä chen des Prüfkörpers (z. B. Vickers-Pyramide) so reflektiert werden, daß diese das Objektiv möglichst parallel zur optischen Achse treffen,- a lighting device (item 2) for illuminating the light to be checked the surface area, consisting of a special fiber optic. Here is we noticeably that the light rays emerging from the optical fibers on the surface Chen of the test specimen (z. B. Vickers pyramid) are reflected so that this Meet the lens as parallel as possible to the optical axis,
- - einer Einrichtung zur punktförmigen definierten Lasteinwirkung auf die zu prüfende Oberfläche innerhalb des Fokusraumes des Beobachtungsmikroskopes (Pos. 3) Die Lasteinwirkung auf die Oberfläche kann durch Prüfkörper (z. B. Vickers-Pyramide, Berkovich-Pyramide, Kegelspitze, Kugel, Schneide, Schneidrad) aus Stahl, Hartme tall, Saphir, CBN oder Diamant erfolgen, oder durch Reibungskörper. Die Aufbrin gung der Prüflast erfolgt stufenlos (oder in Stufen) und frei von Stößen, indem ein Waagebalken, an dem sich die Einrichtung zur Lasteinwirkung mit dem Prüfkörper befindet, nach Maßgabe des gewünschten Belastungsverlaufes elektromagnetisch auf die zu prüfende Oberfläche abgesenkt wird.- A device for punctiform defined load action on the test object Surface within the focus area of the observation microscope (item 3) The load on the surface can be measured by test specimens (e.g. Vickers pyramid, Berkovich pyramid, cone tip, ball, cutting edge, cutting wheel) made of steel, Hartme tall, sapphire, CBN or diamond, or by friction body. The Aufbrin The test load is stepless (or in steps) and free of shocks by a Balance beam on which the device for load application with the test specimen is electromagnetic in accordance with the desired load profile is lowered onto the surface to be tested.
Insbesondere für sehr große zu prüfende Werkstücke ist dabei wichtig, daß der Fo kusraum des Beobachtungsmikroskopes mit hoher Genauigkeit reproduzierbar von der Prüfkörperspitze getroffen werden kann. Diese Bedingung wird in hervorragender Weise durch einen Waagebalken realisiert, der an einer großen Luftlagerspindel (Tragkugeldurchmesser z. B. 100 mm) montiert ist. Das sehr geringe Lagerspiel (0,2 µm) der Luftlagerspindel und die sehr geringe, ruckfreie Lagerreibung ermöglichen so, daß sehr lange Waagebalkenausleger (z. B. 1 m lang) bis hinunter zu Momenten von 10-3 Nxm austariert werden können. Auf diese Weise sind auch bei sehr großen zu prüfenden Werkstücken Belastungen von weniger als 10 mN möglich. Verwendet wurde eine Luftlagerspindel gern. Prospekt "Luftlagerung" INTOP-Koll morgen GmbH 1/80. In particular for very large workpieces to be tested, it is important that the focus area of the observation microscope can be reproducibly hit by the tip of the test specimen with high accuracy. This condition is excellently realized by a balance beam, which is mounted on a large air bearing spindle (ball diameter e.g. 100 mm). The very low bearing clearance (0.2 µm) of the air bearing spindle and the very low, jerk-free bearing friction enable very long balance beam extensions (e.g. 1 m long) to be balanced down to moments of 10 -3 Nxm. In this way, loads of less than 10 mN are possible even with very large workpieces to be tested. An air bearing spindle was often used. Brochure "Air Storage" INTOP-Koll morgen GmbH 1/80.
Weiterhin besteht die in der Figur dargestellte Vorrichtung aus:Furthermore, the device shown in the figure consists of:
- - einer Vorrichtung zur Messung der Normalkraft (Pos. 4) (Fz) und einer oder zweier Tangentialkräfte (Fx, Fy). Der Kraftaufnehmer ist am Ende desjenigen Waagebalkens befestigt, der auch den Prüfkörper trägt. Für Eindruckhärtemessungen wird dabei le diglich die Normalkraft (Fz) ausgewertet; bei Kratzfestigkeitsuntersuchungen und Reibungsmessungen werden hingegen zusätzlich die Tangentialkräfte (Fx, Fy) benö tigt,- A device for measuring the normal force (item 4) (Fz) and one or two Tangential forces (Fx, Fy). The load cell is at the end of that balance beam attached, which also carries the test specimen. For indentation hardness measurements, le diglich evaluated the normal force (Fz); in scratch resistance tests and Friction measurements, on the other hand, additionally require the tangential forces (Fx, Fy) tigt,
- - einer Vorrichtung zur Erzeugung und Regelung der Prüfkraft (Pos. 5) (Normalkraft Fz), bestehend aus einem weich aufgehängten Tauchspulsystem hoher Leistung, einem Leistungsoperationsverstärker mit Kraftregelung und einem Funkti onsgenerator (z. B. Rampengenerator). Das Tauchspulsystem ist zur Erhöhung der Dämpfung und zur Verbesserung der Wärmeableitung der in der Tauchspule umge setzten Verlustleitung mit niedrigviskosen Silikonöl gefüllt.- a device for generating and controlling the test force (item 5) (Normal force Fz), consisting of a softly suspended moving coil system high Power, a power operational amplifier with force control and a functi onsgenerator (e.g. ramp generator). The moving coil system is used to increase the Damping and to improve the heat dissipation of the in the moving coil set loss line filled with low-viscosity silicone oil.
Das Tauchspulsystem dient der Kompensation der durch ein beliebiges festes Ge wicht vorgegebenen maximalen Prüfkraft Fzmax. Das aufgelegte Gewicht Fzmax kann durch das elektrodynamische Tauchspulsystem stufenlos im Bereich 0Fz Fzmax auf der zu prüfenden Werkstückoberfläche zur Wirkung gebracht werden. Das Magnetsystem des Tauchspulsystems ist fest mit dem Rahmen der Prüfvorrichtung verbunden; für Justierzwecke ist eine Verschiebung in z-, x- und y-Richtung vorhan den. Die Tauchspule ist über ein dünnes Federstahlband mit dem zweiten Arm des Waagebalkens verbunden.The moving coil system is used to compensate for the maximum test force Fz max . The applied weight Fz max can be brought into effect by the electrodynamic moving coil system in the range 0Fz Fz max on the workpiece surface to be tested. The magnet system of the moving coil system is firmly connected to the frame of the test device; for adjustment purposes there is a shift in the z, x and y direction. The moving coil is connected to the second arm of the balance beam via a thin spring steel band.
Schließlich besteht die Vorrichtung zur mikroskopischen Härteprüfung aus:Finally, the device for microscopic hardness testing consists of:
- - einem sehr empfindlichen Wegaufnehmer (Pos. 6), der sehr nahe der Prüfkörper spitze so angebracht ist, daß die Spitze des Prüfkörpers und die Spitze des Wegauf nehmers in einer Ebene parallel zur prüfenden Werkstückoberfläche angeordnet sind. Mit diesem Wegaufnehmer kann mit sehr hoher Auflösung (Nanometer) die Eindringtiefe des Prüfdiamanten in die Oberfläche registriert werden (registrierende Mikrohärtemessung) oder die Oberflächenrauhigkeit abgetastet werden,- A very sensitive displacement sensor (item 6), which is very close to the test specimen is attached so that the tip of the test specimen and the tip of the path arranged in a plane parallel to the workpiece surface to be tested are. With this position transducer, the Penetration depth of the test diamond into the surface can be registered (registering Micro hardness measurement) or the surface roughness can be scanned,
- - einer Vorrichtung zur Halterung und Justierung des zu prüfenden Werkstückes (Pos. 7), bestehend aus einem hochbelastbaren 2-Koordinaten-Meßtisch mit großer Innen bohrung und einer Tragplatte mit justierbarer 3-Punkt-Auflage für die spiel- und kipp freie Auflage des Werkstuckes. Das Werkstück wird auf dem Meßtisch per Hand oder motorisch gegenüber dem fest auf den Prüfrahmen montierten Mikroskop bewegt. Dabei wird der unmittelbare Bewegungsspielraum des Werkstückes durch den Durchmesser der Meßtischinnenbohrung (abzüglich Mikroskopobjektivdurchmesser) begrenzt. Für eine ruck- und schwingungsfreie horizontale Verschiebung des Werk stücks sollte einer der Meßtische ein Linearluftlager enthalten. Zum Antrieb des Meß tisches sollte ein möglichst schwingungs- und störarmer Gleichstromgetriebemotor verwendet werden, nicht jedoch ein Schrittmotor,- A device for holding and adjusting the workpiece to be tested (pos. 7), consisting of a heavy-duty 2-coordinate measuring table with a large interior bore and a support plate with adjustable 3-point support for play and tilt free edition of the workpiece. The workpiece is placed on the measuring table by hand or motor-driven relative to the microscope that is firmly mounted on the test frame. The immediate freedom of movement of the workpiece is determined by the Diameter of the inner table bore (minus microscope lens diameter) limited. For a jerk and vibration-free horizontal movement of the work One of the measuring tables should contain a linear air bearing. To drive the measurement table should be a low-vibration and low-noise DC gear motor be used, but not a stepper motor,
- - einem hinreichend schweren und starren Prüfrahmen (Pos. 8), auf dem das Mikro skop, der Meßtisch, das Luftlager des Waagebalkens und das kraftkompensierende Tauchspulsystem montiert sind. Das Luftlager ist abgesetzt an einer Säule befestigt und dabei in vertikaler Richtung für Justierzwecke verschiebbar und fest arretierbar.- A sufficiently heavy and rigid test frame (item 8) on which the microphone skop, the measuring table, the air bearing of the balance beam and the force compensating Moving coil system are mounted. The air bearing is attached to a pillar and can be moved and locked in the vertical direction for adjustment purposes.
Für die Prüfung des Werkstückes wird ein beliebiger Prüfkörper mittels des Tauchspul systems durch Reduzierung des Spulenstromes sehr nahe an die zu prüfende Oberfläche herangefahren, jedoch ohne diese zunächst zu berühren. Der Kontakt der Prüfkörperspitze mit der Werkstückoberfläche kann bei einer weiteren geringfügigen Reduzierung des Stro mes durch die Tauchspule sehr bequem mittels des Mikroskopes beobachtet werden, zu sätzlich anhand des Kraftsignalverlaufes Fz(t). Der weitere Lastverlauf hängt von der ge wählten Art der Prüfung ab, dabei sind folgende Prüfungsarten möglich:To test the workpiece, any test specimen is used using the plunger systems by reducing the coil current very close to the surface to be tested moved up, but without touching it first. The contact of the test specimen tip with the workpiece surface with a further slight reduction in the Stro mes can be observed very easily through the plunger using the microscope additionally based on the force signal curve Fz (t). The further load curve depends on the ge selected type of examination, the following types of examination are possible:
- - ohne Verschiebung des Werkstückes (konventionelle Härteprüfung nach Entlastung oder registrierende Härteprüfung unter Last),- without moving the workpiece (conventional hardness test after unloading or registration hardness test under load),
- - mit Verschiebung des Werkstückes (Messung der Kratzfestigkeit, Verschleißtest, Rei bungstest). Mittels des Tiefentasters kann simultan zu den Tangentialkräften (Reibungsmessungen) die Rauhigkeit gemessen werden. Die Interpretation und Bewertung dieser Messungen wird ganz wesentlich ergänzt und erleichtert durch die Möglichkeit der direkten mikroskopischen Beobachtung der Kontaktzone Prüfkörperspitze/Werkstückoberfläche. Das ist insbesondere bei Fra gen der Rißinitiierung bei spröden Werkstoffen wie Glas von Bedeutung. Zudem kön nen Fließ- und Relaxationsvorgänge unter dem Prüfkörper unmittelbar beobachtet und mittels des Tiefentasters registriert werden.- with displacement of the workpiece (measurement of scratch resistance, wear test, Rei practice test). Using the depth probe, simultaneous to the tangential forces (Friction measurements) the roughness can be measured. The interpretation and evaluation of these measurements is supplemented significantly and facilitated by the possibility of direct microscopic observation of the Contact zone of test specimen tip / workpiece surface. This is particularly the case with Fra against the initiation of cracks in brittle materials such as glass. In addition, Flow and relaxation processes under the test specimen were observed immediately and registered using the depth probe.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
| D2 | Grant after examination | ||
| 8364 | No opposition during term of opposition | ||
| 8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |