Merken 19.04.2018

Universelle Prüfmaschine ZHU/ZwickiLine+ von Zwick

Mehr als nur Härteprüfung

Charakteristische Eigenschaften von Werkstoffen werden häufig über die statische Härteprüfung bestimmt. Für eine Vielzahl von Untersuchungen sind neben der Messung des reinen Härte-Kennwerts auch die elastische Verformung sowie das Kriech- und Relaxationsverhalten von Bedeutung. Alle Verfahren lassen sich nun mit nur einer Prüfmaschine realisieren.

Universelle Prüfmaschine ZHU/ZwickiLine+ (© Zwick)

Die Bestimmung der Härte wird hauptsächlich bei harten Werkstoffen genutzt, um Informationen über ihre mechanischen Eigenschaften und damit Rückschlüsse auf die Qualität der Fertigungsprozesse zu erlangen. So geht es in der Qualitätssicherung beispielsweise darum, Informationen über mögliche Veränderungen in der Struktur oder dem Gefüge nach dem Umformen bzw. einer Wärmebehandlung zu gewinnen. Bei der Härteprüfung wird ein genormter Körper mit definierter Kraft in die Oberfläche des Probekörpers gedrückt.

Zu den klassischen statischen Prüfungen zählen die Verfahren nach Brinell, Vickers und Rockwell. Bei Brinell und Vickers wird die Härte über die optische Vermessung des plastischen Eindrucks im Werkstoff, bei Rockwell direkt über die Tiefenmessung ermittelt. Sind zusätzliche Erkenntnisse über die elastischen Anteile der Verformung sowie das Kriech- und Relaxationsverhalten des Werkstoffs relevant, bietet sich die Bestimmung der Martenshärte über die instrumentierte Eindringprüfung an.

Um die unterschiedlichen Anforderungen der genannten Prüfverfahren im Makrobereich (F > 2 kN) mit einer einzigen Maschine erfüllen zu können, hat das Unternehmen Zwick Roell in Ulm jetzt die universelle Prüfmaschine ZHU/zwickiLine+ vorgestellt (Bild 1). Sie bietet dem Anwender die Möglichkeit, neben den klassischen Verfahren und der instrumentierten Eindringprüfung auch die Bestimmung der Kugeldruckhärte an Kunststoffen (z.B. ISO 2039-1) in einem vollautomatischen Prüfablauf durchzuführen.

Instrumentierte Eindringprüfung

Bei der instrumentierten Eindringprüfung (Bestimmung der Eindring- oder Martenshärte) werden im Vergleich zu den Standardverfahren sowohl Kraft als auch Eindringtiefe während der Be- und Entlastung kontinuierlich gemessen. Diese Messmethode bietet sich daher gerade zur Prüfung von spröden Materialien wie beispielsweise Keramik an, für die bislang hauptsächlich Verfahren nach Vickers und Knoop zum Einsatz kommen.

Härteprüfungen an Gummi sind ebenfalls möglich. Die Martenshärte ist definiert als das Verhältnis von Maximalkraft zu Kontaktfläche und bei homogenen Materialien unabhängig von der Prüfkraft. Das Verfahren der instrumentierten Eindringprüfung ist sowohl im Makro- als auch im Mikrobereich (F < 2 N, Eindringtiefe > 2 µm) und im Nanobereich (Tiefe < 2 µm) einsetzbar.

Zur Bestimmung der Martenshärte nach DIN EN ISO 14577 wird entweder eine Pyramide oder ein kugelförmiger Eindringkörper langsam und mit konstanter Geschwindigkeit in die Oberfläche gedrückt. Vergleichsmessungen an genormten Stählen haben gezeigt, dass beide Profile vergleichbare Ergebnisse liefern. Die Geschwindigkeit des Eindringens kann dabei wahlweise über die Kraft oder die Eindringtiefe geregelt werden. Beim Erreichen der maximalen Prüfkraft wird diese bis zu 30 s konstant gehalten und dann wieder auf null reduziert.

Aus der Verlaufsprüfung lassen sich nicht nur die Martenshärte, sondern auch andere relevante Kenngrößen wie plastische und elastische Anteile der Eindringenergie ableiten. Hinzu kommt die Bestimmung zeitabhängiger Effekte wie Kriech- und Relaxationsneigung des Werkstoffs, indem entweder die Kraft oder die bereits erfolgte Eindringtiefe über einen definierten Zeitraum festgehalten werden.

Weitere Informationen über den Werkstoff aus der instrumentierten Eindringprüfung erhält man über den elastischen Eindringmodul. Diese lassen sich aus der Steigung an der Entlastungskurve im Kraft-Eindringtiefe-Diagramm berechnen. Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, aus der Eindringkurve (kugelförmiger Eindringkörper) und der inversen Finite-Elemente-Analyse ein Spannungs-Dehnungs-Diagramm zu erstellen, um daraus Streckgrenze und Zugfestigkeit zu bestimmen.

Hohe Flexibilität

Mit der neuen universellen Härteprüfmaschine macht das Unternehmen einen großen Schritt nach vorne (Bild 2). Was diese Maschine so interessant macht, ist ihre Flexibilität: angefangen beim Einsatz in klassischen Verfahren über die instrumentierte Eindringprüfung bis hin zur Bestimmung der Kugeldruckhärte an Kunststoffen. Außerdem kann sie für Zug-, Druck- undBiegeprüfungen eingesetzt werden. Dieser Mehrfachnutzen, kombiniert mit einer hohen Wiederholpräzision, bietet dem Anwender eine Vielzahl von Möglichkeiten – nicht nur in Forschung und Entwicklung, sondern auch im industriellen Einsatz.

Eine der zentralen Komponenten der neuen Prüfmaschine sind zwei Härtemessköpfe für Kräfte von 2 bis 200 N und 5 bis 2500 N. Sie beinhalten Kraftmess- und Eindringmesssystem sowie Eindringkörper und Tastfuß.

Eine optionale Ergänzung für die Brinell- und Vickersverfahren besteht aus einem Messmikroskop mit bis zu vier Objektiven und einer Verschiebeeinheit, die den Positionswechsel zwischen Messmikroskop und der Belastungseinrichtung ermöglicht. Dies hat den Vorteil, dass der Anwender das zu prüfende Bauteil nicht verschieben muss. Unterstützt wird er durch die Mess- und Regelelektronik testControl II und die Prüfsoftware testXpert Hardness Edition, die für automatisierte Serien- und Härteverlaufsprüfungen der genannten Verfahren ausgelegt ist.

Alle Prüfergebnisse werden in grafischer und tabellarischer Form automatisch dargestellt und statistisch ausgewertet.