DGZfP-JAHRESTAGUNG 2002

ZfP in Anwendung, Entwicklung und Forschung

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TIV (Through Indenter Viewing) - Neue Möglichkeiten der mobilen Härteprüfung

Dr. Stefan Frank, Werner Lammerich
Agfa NDT GmbH, Robert-Bosch-Straße 3, D-50354 Hürth (http://www.agfaNDT.com)
Kontakt: S. Frank

1. Einleitung

In Zeiten des Kostendrucks und hoher Qualitätsanforderungen stellt die mobile Härteprüfung im modernen Fertigungsprozess eine schnelle und vor allem wirtschaftliche Ergänzung zur stationären Härteprüfung dar. Die Anwendungsmöglichkeiten sind vielfältig - dies betrifft sowohl große als auch kleinere Bauteile, insbesondere auch an schwer zugänglichen Stellen.

Zwei unterschiedliche physikalische Verfahren sind in der Praxis besonders anerkannt: die statische UCI- und die dynamische Rückprall-Härteprüfung.

In diesem Beitrag werden nicht nur die Verfahrensgrundlagen dieser beiden Methoden mit Hilfe praktischer Beispiele diskutiert, sondern es wird auch ein neues Prüfverfahren vorgestellt, welches die mobile Härteprüfung neu gestaltet.

Mit der Through Indenter Viewing (TIV)-Methode wurde ein mobiles, optisches Härteprüfverfahren entwickelt, welches erstmals die Größe des Eindrucks automatisch ermittelt, indem unter Last durch den Vickersdiamanten hindurch die Längen der Diagonalen gemessen werden. Mit Hilfe eines optischen System einschließlich CCD-Kamera wird durch den Eindringkörper "geschaut" und somit die Härte unter Last zu bestimmt.

Da die Vickershärte als Quotient aus Prüfkraft und Größe des Diamant-Eindrucks definiert ist, kann man direkt aus den nach dem TIV-Verfahren ermittelten Diagonalen die Vickershärte für die entsprechende Prüfkraft bestimmen. Das "Live-Bild" des Eindrucks auf der LCD-Anzeige ermöglicht eine sofortige Kontrolle der Qualität des Diamant-Eindrucks und somit eine Aussage über die Zuverlässigkeit des Messwertes.

Indem unter Prüflast durch den Diamanten der Eindruck vermessen wird, ist das TIV-Verfahren vom Prüfmaterial unabhängig und eröffnet somit zahlreiche neue Anwendungen. Die physikalische Methode - basierend auf der Härteprüfung nach Vickers - ermöglicht die Härtemessung an verschiedenen Materialien ohne die Notwendigkeit einer zusätzlichen Kalibrierung des Gerätes.

Keywords: Mobile Härteprüfung, Vickers, TIV, Through Indenter Viewing

2. Härteprüfung

2.1. Was ist "Härte"?
Bezogen auf metallische Materialien war (und ist) die Härte ein viel diskutiertes Thema unter Metallurgen, Ingenieuren und Werkstoffwissenschaftlern. So ist es nicht verwunderlich, dass eine Vielzahl von unterschiedlichen Definitionen für den Begriff Härte existieren. Unter anderem werden Verschleißfestigkeit, Verformungsverhalten, Zugfestigkeit sowie Elastizitätsmodul mit dem Begriff der Härte in Verbindung gebracht.

Die Härteprüfung ist nahezu zerstörungsfrei und dient in vielen Fällen zur Ermittlung von Kenngrößen, mit deren Hilfe sich Werkstoffe unterscheiden und beschreiben lassen. Härtewerte liefern z.B. mit geringem Aufwand Auskünfte über die Festigkeitseigenschaften des Werkstoffes.

Allgemein versteht man unter der technischen Härte den Widerstand eines Werkstoffes gegen das Eindringen eines Körpers aus einem härteren Werkstoff.

Für einen technisch brauchbaren Härtewert muss allerdings eine genaue Beschreibung des Verfahrens festgelegt werden, wenn man die erhaltenen Zahlenwerte miteinander vergleichen will. Ist der Zahlenwert aber von dem Verfahren abhängig, so gilt ganz klar die Schlussfolgerung, dass es sich bei der Härte nicht um eine physikalische Größe, sondern um eine Kenngröße handeln muss.

Die Härte ist also keine fundamentale Größe eines Werkstoffes, sondern immer die Antwort des Materials auf eine bestimmte Beanspruchung bzw. Prüfmethode. Aus der Antwort des Werkstoffes auf diese Beanspruchung wird dann ein Härtewert berechnet.

Je nach Prüfmethode werden somit andere Zahlenwerte ermittelt, welche durch Form und Werkstoff des Eindringkörpers sowie durch Art und Größe der Beanspruchung (z.B. Prüfkraft) bestimmt bzw. charakterisiert werden.

In einer groben Einteilung lassen sich die unterschiedlichen Prüfverfahren in zwei Klassen unterteilen:

  • Statische Prüfverfahren
    Bei diesen Verfahren erfolgt die Beanspruchung statisch bzw. quasi-statisch. Der Härtewert wird mit Hilfe des bleibenden Prüfeindrucks nach Wegnahme der Prüfkraft als Quotient aus Prüfkraft und der Oberfläche bzw. Projektionsfläche des bleibenden Eindrucks definiert (Brinell, Vickers, Knoop). Bei der Prüfung nach Rockwell wird die Härte über die durch die Prüfkraft verursachte bleibende Eindringtiefe eines Körpers ermittelt.
  • Dynamische Prüfverfahren
    Im Gegensatz zu den statischen Verfahren erfolgt hier die Beanspruchung stoßartig und die Härte wird über den "Energieverlust" des Eindringkörpers ermittelt.

2.2.Warum Härteprüfung?
Im Bereich der Produktion und Montage wird die Härte von Werkstoffen bzw. Bauteilen im Wesentlichen aus zwei Gründen geprüft: Zum einen, um charakteristische Eigenschaften von neuen Materialien zu ermitteln und zum anderen zur Qualitätssicherung durch die Einhaltung von geforderten Spezifikationen.

2.3.Wie wird die Härteprüfung durchgeführt
Bei konventionellen Härteprüfgeräten wie Rockwell, Brinell oder Vickers ist es prinzipiell notwendig, den Prüfgegenstand zum Gerät zu bringen. Da dies aus praktischen und vor allem auch geometrischen Gründen nicht immer möglich ist, wurden kleine, tragbare Härteprüfgeräte entwickelt, die eine schnelle Prüfung vor Ort am Bauteil ermöglichen.

Unterschiedliche Methoden finden hier ihre Anwendung. Erfolgreich in der Praxis eingesetzt werden vor allem die mobilen Prüfgeräte nach dem UCI- und dem Rückprallverfahren.

3. Mobile Härteprüfung vor Ort

3.1. Das bewährte UCI-Verfahren
Bei dem Ultrasonic Contact Impedance (UCI)-Messverfahren wird ähnlich wie bei der Härtemessung nach Vickers oder Brinell die Härte eines Materials aus der Größe des Prüfeindrucks ermittelt, den ein Vickersdiamant nach Aufbringung einer definierten Last im Werkstoff hinterlässt. Im Unterschied zu den stationären Prüfgeräten werden bei der UCI-Methode die Diagonalen des Eindrucks nicht optisch ausgewertet, sondern seine Fläche wird indirekt durch die Ermittlung der Verschiebung einer Ultraschallfrequenz elektronisch erfasst.

Abb 1: Schematischer Aufbau einer UCI-Sonde.

Im Wesentlichen besteht eine UCI-Sonde aus einem Vickersdiamanten, der am Ende eines Metallstabes befestigt ist (siehe Abb. 1). Dieser Schwingstab wird durch Piezokristalle zu einer Longitudinalschwingung mit einer Resonanzfrequenz von etwa 70 kHz angeregt. Wirkt die definierte und über eine Metallfeder aufgebrachte Prüflast der verwendeten UCI-Sonde auf das Prüfmaterial, so kommt es zu einer Verschiebung der Resonanzfrequenz. Grundlage für die UCI-Härteprüfung ist die Beziehung zwischen der Frequenzverschiebung und der Härte des geprüften Materials.

Die mit der UCI-Sonde ermittelte Frequenzverschiebung ist proportional zur Kontaktfläche des Vickersdiamanten mit dem Prüfmaterial und somit zur Größe des Prüfeindrucks, den der Diamant unter Prüflast erzeugt. Je "weicher" das Prüfmaterial, desto tiefer dringt der Diamant ein. Eine große Kontaktfläche wiederum führt zu einer hohen Frequenzverschiebung. Für den Härtewert werden nicht wie bei der herkömmlichen Vickers-Prüfung die Diagonalen des Prüfeindrucks nach Entlastung optisch ermittelt, sondern seine Fläche wird durch Messen der Frequenzverschiebung unter Last in Sekundenschnelle elektronisch erfasst.

3.2. Das genormte Rückprall-Verfahren
Abb 2: Schematischer Aufbau eines Schlaggerätes.
Bei der Anwendung des Rückprall- oder Leeb-Verfahrens wird die Härte des Werkstoffes indirekt über den Energieverlust eines Schlagkörpers beim Aufprall auf das Prüfmaterial gemessen. Der Schlagkörper, an dessen Spitze sich eine Hartmetallkugel befindet, wird durch Federkraft mit definierter Geschwindigkeit auf die Prüffläche beschleunigt. Durch den Aufprall und die daraus resultierende plastische Deformation der Materialoberfläche reduziert sich die kinetische Energie des Schlagkörpers, welcher mit einer geringeren Geschwindigkeit in die entgegengesetzte Richtung zurück geschleudert wird. Aufprall- und Rückprallgeschwindigkeit werden berührungslos (induktiv) gemessen (siehe auch Abbildung 2).

Das Verhältnis der Induktionsspannung unmittelbar vor bzw. nach dem Aufprall entspricht in erster Näherung den Geschwindigkeitsverhältnissen. Gemäß der Definition der Leeb-Härte

lässt sich somit unter Berücksichtigung des Vorzeichenwechsels und des Faktors 1000 der HL-Wert aus der gemessenen Induktionsspannung vor dem Aufprall (VA) und dem ermitteltem Wert nach dem Aufprall (VB) bestimmen.

Allerdings ist die Ermittlung des Geschwindigkeitsverhältnisses bei hohen Anforderungen an die Genauigkeit nicht ganz trivial, da der Kurvenverlauf der Induktionsspannung durch die wirkende Erdbeschleunigung und durch Reibung des Schlagkörpers beim Flug beeinflusst wird. Diese Abhängigkeit von der Neigung des Fallrohrs bzw. dem Winkel, unter welchem die Härtemessung durchgeführt wird, erfordert bei bisherigen Härteprüfgeräten nach dem Rückprallverfahren die Eingabe von Korrekturfaktoren, um den Einfluss der Schwerkraft zu berücksichtigen und fehlerhafte Messwerte zu vermeiden.

Diese potenzielle Fehlerquelle wird durch ein patentiertes Verfahren eliminiert, das von
AgfaNDT/Krautkramer entwickelt wurde. Eine manuelle Eingabe richtungsabhängiger Korrekturfaktoren ist nicht mehr erforderlich, der Neigungswinkel des Schlaggerätes wird automatisch berücksichtigt. Die richtungsunabhängigen Geräte der DynaMIC- und DynaPOCKET-Serie optimieren und vereinfachen somit die Anwendung des Rückprall-Verfahrens. Potenzielle Fehler werden ausgeschaltet, eine Dokumentation der Messergebnisse in Hinblick auf die ISO 9000-Richtlinien wird wesentlich erleichtert.

3.3. Beide Verfahren in der Praxis
Mit den Härteprüfgeräten MIC 10 und DynaMIC wurden die beiden unterschiedlichen Verfahren in einem einheitlichen Gerätekonzept verwirklicht (Abb. 3 und 4). Dabei konnten viele Vorteile der UCI-Methode (MIC 10) auch für das Rückprallverfahren (DynaMIC) möglich gemacht werden.


Abb 3: Härteprüfung mit einem UCI-Gerät (MIC 10) an den Zahnflanken einer Ritzelwelle.

Abb 4: Härteprüfung mit einem Rückprall-Härteprüfgerät (DynaMIC) am Antriebsrad eines Hydraulikbaggers.

Zum Beispiel das richtungsunabhängige Prüfen: Das Rückprall-Härteprüfgerät DynaMIC erkennt durch seine patentierte Signalverarbeitung die Schlagrichtung selbstständig und nimmt die Korrektur automatisch vor. Auch die einfache und schnelle Justierbarkeit, wie sie bei der UCI-Prüfung möglich ist, wurde für das DynaMIC übernommen; Standardtabellen für bestimmte Werkstoffe sind bereits voreingestellt, auf jedes andere Material kann das Gerät in Sekundenschnelle justiert werden.

Insbesondere für die Rückprall-Härteprüfgeräte DynaMIC bzw. DynaPOCKET hat neben der Möglichkeit der Darstellung des Messergebnisses in den gewohnten Härteskalen (Umwertung in andere Skalen) vor allem die Standardisierung (ASTM A 956-00) des Rückprall-Verfahrens für eine Vergrößerung der Akzeptanz dieser Prüfmethode in der Praxis gesorgt.

4. Das TIV-Verfahren (Through Indenter Viewing)

4.1. Das TIV-Verfahren
Das TIV ist ein tragbares Prüfgerät für die optische Härteprüfung nach Vickers unter Prüfkraft. Mit einem optischen System einschließlich CCD-Kamera wird "durch den Diamanten hindurch" geblickt (Through Indenter Viewing). Mit diesem neuen Verfahren lässt sich erstmalig der Eindringprozess des Vickersdiamanten in das Prüfmaterial direkt auf dem Display beobachten.

Aufgrund des optischen Messverfahrens kann mit der TIV-Technik die Härteprüfung ohne zusätzliche Kalibrierung an unterschiedlichen Materialien durchgeführt werden. Weiterhin ermöglicht die statische Aufbringung der Prüfkraft auch Messungen an dünnen und kleinen Gegenständen sowie an Beschichtungen.

Bei Erreichen der Prüfkraft werden die Diagonalenlängen des Eindrucks ermittelt und gemäß der Vickersdefinition in einen Härtewert umgerechnet. Diese Auswertung kann sowohl manuell als auch automatisch durchgeführt werden.

Zur Umwertung der gemessenen Härte in andere Skalen sind im Prüfgerät TIV die Tabellen gemäß DIN 50150 und ASTM E 140 abgespeichert und anwählbar.

Die Abbildung des Eindrucks bzw. des Vickersdiamanten auf dem Display erlaubt nicht nur eine sofortige Kontrolle und Beurteilung der Qualität des Messwertes, sondern auch eine direkte Kontrolle des Zustandes des Eindringkörpers (Vickersdiamant).


Abb 5: Das Härteprüfgerät TIV.

Abb 6: Die praktische Anwendung.

4.2. Die Anwendungen
Aufgrund des optischen Härteprüfverfahrens können mit dem TIV neue Anwendungsbereiche für die mobile Härteprüfung erschlossen werden, in denen herkömmliche Geräte bisher keine zuverlässigen Ergebnisse liefern konnten.

Das "Through Indenter Viewing" ermöglicht eine Härteprüfung:

  • unabhängig von der Richtung,
  • an unterschiedlichen Materialien ohne Kalibrierung (materialunabhängig),
  • an dünnen und leichten Bauteilen,
  • an elastischen Materialien.

Als erstes mobiles Prüfgerät ermittelt das TIV die Eindruckgröße des Vickersdiamanten und somit die Härte des Materials nicht indirekt, sondern direkt: "Through Indenter Viewing" bedeutet, dass man während des Aufbringens der Prüfkraft zeitgleich den Eindruck des Vickersdiamanten auf der Oberfläche des Prüfteils "wachsen" sehen kann. Dafür sorgt ein spezielles optisches Linsensystem einschließlich CCD-Kamera zur Digitalisierung des Eindruckbildes. Sobald die Prüfkraft erreicht ist, wird das Bild des Eindrucks bzw. des Diamanten von der Sonde zum Gerät übertragen und automatisch ausgewertet.

Mit Hilfe einer speziellen Software wird in einem ersten Schritt die Umrandung des Eindrucks bestimmt. Aus den Schnittpunkten mit den auf dem Bildschirm abgebildeten Kanten des Vickersdiamanten (136° Dachwinkel) werden schließlich die Längen der beiden Diagonalen des Eindrucks ermittelt. Der Mittelwert beider Diagonalen dient anschließend zur Berechnung des Härtewertes gemäß der Vickersdefinition. Die automatische Auswertung ist nicht nur schnell im Vergleich zur herkömmlichen Auswertung unter Verwendung eines Messmikroskops, sondern es werden auch subjektive Einflüsse durch den Benutzer ausgeschlossen, die sich besonders bei der manuellen Auswertung des Vickerseindrucks bemerkbar machen.

Abbildung 7 zeigt das Ergebnis einer Härtemessung mit dem Through Indenter Viewing Verfahren. Nur die optische überprüfung der Form des Eindrucks erlaubt eine zuverlässige Aussage über die Qualität der Messung. Ein Blick auf das Display genügt, um erkennen zu können, ob die Messung durch die Güte der Oberfläche, das Gefüge des Materials oder andere Effekte beeinflußt wurde.

Abb 7: Härtemessung mit dem TIV. Der Eindruck des Vickersdiamanten wird auf dem Bildschirm dargestellt und automatisch ausgewertet.

Zusätzlich zu der automatischen Auswertung ermöglicht das Prüfgerät den Vickerseindruck auch manuell auszuwerten. In einer vergrößerten Darstellung des Bildes auf dem Display wird die Umrandung des Eindrucks per Hand angepasst. Die Länge der Diagonalen wird automatisch aktualisiert und der entsprechende Härtewert angezeigt.

Die Abbildung des Vickersdiamanten bietet zusätzlich die Möglichkeit, den Zustand des Eindringkörpers direkt zu kontrollieren. Defekte am Eindringkörper wie z.B. Kantenausbrüche werden sofort erkannt und somit können fehlerhafte Messungen von vorneherein vermieden werden.

Die Ergebnisse einer Messreihe können graphisch als Kurve dargestellt werden oder auch tabellarisch einschließlich statistischer Daten (siehe Abbildungen 8 und 9). Alle notwendigen Informationen wie Mittelwert, Einzelwert oder statistische Daten werden während der Messung angezeigt bzw. aktualisiert.

Abb 8: Graphische Darstellung der Messergebnisse als Kurvenverlauf. Abb 9: Tabellarische Darstellung der Messergebnisse einschließlich statistischer Daten wie z.B. Spannweite, Standardabweichung und Minimum bzw. Maximum.

5. Neue Anwendungen der mobilen Härteprüfung

Die wesentlichen Vorteile des Through Indenter Viewing Verfahrens (mobile Härteprüfung nach Vickers unter Last) sind durch die statische Aufbringung der Prüfkraft und die direkte sowie automatische Bestimmung der Diagonalenlängen des Eindrucks durch den Vickersdiamanten hindurch bedingt:

  1. Mit dem TIV kann die Härte mobil und vor Ort an unterschiedlichen Materialien gemessen werden, ohne zusätzliche Einstellungen und Justierungen durchführen zu müssen (siehe Abbildung 10).
  2. Aufgrund der statischen Prüfkraftaufbringung ermöglicht das TIV auch Messung an dünnen und kleinen Teilen wie z.B. Coils, Bleche, etc.
  3. Die "Live"-Abbildung des Eindrucks auf dem Bildschirm erlaubt die sofortige Beurteilung der Qualität der Messung.
  4. Das TIV verfügt über eine automatische Auswertung des Vickerseindrucks, d.h. die Diagonalenlängen werden direkt und automatisch bestimmt.
  5. Die Abbildung der Kanten des Diamanten auf dem Bildschirm erlaubt die direkte Kontrolle des Zustandes des Eindringkörpers.

  6. Stahl

    Stahlblech

    Teflon

    Glas
    Abb 10: Härteprüfung an unterschiedlichen Materialien mit dem Through Indenter Viewing Verfahren.

Mit dem TIV werden vielfältige neue Anwendungsfelder eröffnet, die für mobile Härteprüfgeräte bisher nicht erschlossen waren.

Härteprüfungen sind nicht nur unabhängig von Prüfposition und -richtung, sondern nun auch von Material und Masse bzw. Geometrie des Prüfteils.

STARTHerausgeber: DGfZPProgrammierung: NDT.net