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Meßverfahren |
| Härteprüfverfahren |
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| Schichtdickenmeßverfahren |
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| Das UCI-Verfahren (Ultrasonic Contact Impedance) wird seit vielen Jahren erfolgreich in der Härteprüfung eingesetzt. Die Sonden des tragbaren Härteprüfgerätes alphaDUR und des Härtescanners UT100 funktionieren nach diesem Prinzip. | |
| Ein Stab wird in Längsrichtung
zu Schwingungen angeregt. An einem Ende sitzt ein Vickersdiamant. Dieser
wird in den zu prüfenden Werkstoff gedrückt. Die definierte Last
F wird dabei meist über eine Feder aufgebracht. Der Stab schwingt mit seiner Eigenresonanzfrequenz, die im wesentlichen von seiner Länge abhängt. Dringt der Vickersdiamant in die Probe ein, kommt es zur Dämpfung dieser Schwingung. Damit ist eine Änderung der Resonanzfrequenz verbunden, die leicht gemessen werden kann. |
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Die Dämpfung
des Stabes und damit die zu messende Frequenzänderung hängt
von der Größe der Kontaktfläche zwischen Diamant und
Probe ab und damit bei fester Prüflast von der Härte der Probe.
Das E-Modul des geprüften Werkstoffes beeinflußt die Frequenzänderung
ebenfalls. Die Vorteile des UCI-Verfahrens liegen in der leichten Automatsierbarkeit und der sehr guten Reproduzierbarkeit der Härtewerte, da die gesamte Kontaktfläche ( prop. d² ) in die Messung eingeht und nicht nur eine Diagonale d oder ein Durchmesser. Die Messung einer Frequenzänderung ist zudem frei vom subjektiven Urteil eines einzelnen Anwenders und sehr schnell durchführbar. Für Kohlenstoffstähle und niedrig legierte Stähle werden Härtevergleichsplatten zur Gerätekalibrierung eingesetzt. Die geringen Schwankungen des E-Moduls innerhalb dieser Werkstoffgruppe sind für das Meßergebnis vernachlässigbar. |
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Auswahl der benötigten Prüflast für Proben bestimmter Härte Zur Bestimmung der benötigten Prüflast einer UCI-Sonde in Abhängigkeit von der Probenhärte und der gewünschten Eindruckdiaogonale bzw. Eindringtiefe dienen die folgenden Diagramme: |
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Diese
Graphik zeigt den Zusammenhang zwischen
Probenhärte, Prüflast und Länge der Eindruckdiagonale bei konstantem E-Modul der Probe. |
Diese
Graphik zeigt den Zusammenhang
zwischen der Länge der Eindruckdiagonale und der Eindringtiefe des Prüfkörpers (Vickers-Pyramide). |
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Das Rückprallverfahren ist ein dynamisches Härtemeßverfahren. Die tragbaren Härteprüfgeräte TH130 / TH134 funktionieren nach diesem Prinzip. |
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Über Federkraft
wird ein Schlagkörper (Hartmetallkugel, bei Sonderanwendungen auch
Diamantspitze) auf die Werkstückoberfläche geschleudert. |
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| Für die Messung der Einhärtetiefe wärmebehandelter Teile ist das Ultraschall-Rückstreu-Verfahren am besten geeignet. Dabei werden Unterschiede in der Kornstruktur zwischen Rand- und Kerngefüge ausgenutzt. Während das gehärtete Gefüge eine sehr feinkörnige Martensitstruktur aufweist, ist im Kerngefüge je nach Vorbehandlung ein gröberes Gefüge vorhanden. Das bedeutet, daß am Übergang zum Kerngefüge infolge der gröberen Kornstruktur eine erhöhte Schallstreuung auftritt. | |
| Es wird
mit kurzen Schwingungsimpulsen gearbeitet, deren Frequenz bei 20 MHz liegt,
damit bei den vorliegenden Gefügen die Streuung für die Messung
ausreicht. Die Schallimpulse werden von der Meßelektronik erzeugt
und von einem Prüfkopf abgestrahlt. Die zurückgestreute Schallintensität
wird vom gleichen Prüfkopf aufgefangen und von der Elektronik ausgewertet.
Damit die Schallwellen in das zu untersuchende Werkstück eindringen können, ist zwischen Prüfkopf und Werkstück ein Medium erforderlich, das die Ultraschallimpulse transportieren kann. Luft ist dafür nicht geeignet. Deshalb werden die Teile im Wasserbad gemessen, dem gegebenenfalls ein Korrosionsschutzmittel zugesetzt ist. Die Schallwellen breiten sich im Wasser als Longitudinalwellen aus. Treffen sie unter einem bestimmten Winkel auf die Werkstückoberfläche, werden sie in Transversalwellen umgewandelt, die sich in Stahl ausbreiten können. An der Oberfläche des Werkstückes wird ein Teil der Schallintensität reflektiert und trifft wieder auf den Prüfkopf. Die Dauer des abgestrahlten Sendeimpulses ist wesentlich kürzer als die Laufzeit des Signales vom Prüfkopf zur Oberfläche und zurück. Deshalb finden keine Überlagerungen zwischen abgestrahltem und empfangenem Signal statt. Die eingedrungenen Schallwellen pflanzen sich in der gehärteten Randschicht relativ ungehindert fort, so daß aus diesem Bereich kaum Schallwellen zurückgestreut werden und auf den Prüfkopf gelangen. |
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Erst an der Grenze zum Grundwerkstoff steigt die Rückstreuung plötzlich stark an. Das Schallsignal wird zum Teil wieder in Richtung des Prüfkopfes reflektiert. An der Oberfläche werden die Transversalwellen wieder in Longitudinalwellen zurückverwandelt, die sich im Wasser ausbreiten und schließlich auf den Prüfkopf gelangen. Von der Meßelektronik wird das Empfangssignal des Prüfkopfes nach dem Sendeimpuls ständig aufgezeichnet. Der Signalverlauf enthält zunächst das starke Oberflächenecho, dann ein Minimum und anschließend einen mehr oder weniger steilen Anstieg der von der Reflexion am Übergang von der Randschicht zum Kernmaterial stammt. |
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| Zur Messung der Einhärtetiefe muß der Abstand zwischen Oberfläche und Grenzschicht in Millimetern aus dem Signalverlauf bestimmt werden. Die Laufzeit des Schalls zwischen Oberfläche und Grenzschicht kann aus der Meßkurve ermittelt werden. Hier wird die Zeit zwischen dem Maximum des Oberflächenechos und dem ersten Anstieg des Signals nach dem Minimum zur Auswertung verwendet. Mit der bekannten Schallgeschwindigkeit in Stahl kann damit die Laufstrecke in Millimetern berechnet werden. | |
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| Mit dem Schichtdickenmessgerät kaloMAX wird die Schichtdicke rein geometrisch bestimmt. | |
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Mit einer Stahlkugel
wird eine Kalotte bis ins Grundmaterial der Probe eingeschliffen. h - gesuchte Schichtdicke R - Radius der Schleifkugel T - gesamte Eindringtief der Kugel t - Eindingtiefe in den Grundwerkstoff D - Kreisdurchmesser an der Oberfläche d - Kreisdurchmesser an der Grenze Schicht-Grundwerkstoff |
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Die gesamte
Eindringtiefe der Schleifkugel beträgt: Die Eindringtiefe
der Kugel im Grundwerkstoff ist: Die Dicke der
Schicht ergibt sich aus der Differenz: Bei dünnen
Schichten und nur wenig ins Grundmaterial eingeschliffenen Kalotten
sind die Durchmesser D und d sehr klein gegenüber dem Kugelradius
R. Damit erhält man eine vereinfachte Gleichung: An dieser Beziehung ist sehr gut zu erkennen, daß die Genauigkeit der Schichtdickenmessung mit dem Kalottenschliffvervahren von der Genauigkeit abhängt, mit der die beiden Durchmesser D und d bekannt sind, da der Fehler von R unter 1 ‰ liegt. Das sorgfältige Ausmessen der beiden Durchmesser ist auch wichtig, da die beiden Größen quadratisch in die Schichtdicke eingehen. Zur Erzielung einer hohen Genauigkeit darf generell nur wenig ins Grundmaterial eingeschliffen werden. Wird die Kalotte in zylinderförmige Teile geschliffen, ergeben sich Ellipsen statt der Kreise. Die Berechnung der Schichtdicke wird mit der gleichen Formel vorgenommen wie bei ebenen Teilen. D und d müssen aber unbedingt auf der Längsachse der Ellipse bestimmt werden. |
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letzte Änderung: 2009-11-19