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AR Monatliches Archiv: März 2020
Streckgrenze und Zugfestigkeit von Stahl und Aluminium
Bedeutung der Messung der Streckgrenze und der Zugfestigkeit mit Hilfe der Eindrückung
Traditionell werden Streckgrenze und Zugfestigkeit mit einer großen Zugprüfmaschine geprüft, die eine enorme Kraft benötigt, um die Proben auseinander zu ziehen. Es ist kostspielig und zeitaufwändig, viele Testkupons für ein Material zu bearbeiten, bei dem jede Probe nur einmal geprüft werden kann. Kleine Defekte in der Probe führen zu einer deutlichen Abweichung der Prüfergebnisse. Unterschiedliche Konfigurationen und Ausrichtungen der auf dem Markt befindlichen Zugprüfgeräte führen oft zu erheblichen Abweichungen in der Prüfmechanik und den Ergebnissen.
Die innovative Eindringmethode von Nanovea liefert direkt Werte für die Streckgrenze und die Zugfestigkeit, die mit den Werten vergleichbar sind, die mit herkömmlichen Zugtests gemessen werden. Diese Messung eröffnet neue Prüfmöglichkeiten für alle Branchen. Der einfache Versuchsaufbau reduziert die Zeit und die Kosten für die Probenvorbereitung im Vergleich zur komplexen Couponform, die für Zugversuche erforderlich ist, erheblich. Mehrere Messungen an einer einzigen Probe sind bei einer geringen Größe der Vertiefung möglich. Sie verhindert den Einfluss von Defekten, die bei der Bearbeitung von Zugproben entstehen. YS- und UTS-Messungen an kleinen Proben in einem begrenzten Bereich ermöglichen die Kartierung und Erkennung lokaler Defekte in Rohrleitungen oder Autostrukturen.
Messung Zielsetzung
Bei dieser Anwendung wird das Nanovea Mechanischer Tester Misst die Streckgrenze und Zugfestigkeit von Proben aus Edelstahl SS304 und Aluminium Al6061-Metalllegierungen. Die Proben wurden aufgrund ihrer allgemein anerkannten Streckgrenzen- und Zugfestigkeitswerte ausgewählt, die die Zuverlässigkeit der Eindruckmethoden von Nanovea belegen.
Testverfahren und -abläufe
Die Prüfungen der Streckgrenze und der Zugfestigkeit wurden mit dem Nanovea-Mechanik-Testgerät in der Mikroindentation Modus. Für diese Anwendung wurde eine zylindrische flache Diamantspitze mit einem Durchmesser von 200 μm verwendet. Die Legierungen SS304 und Al6061 wurden aufgrund ihrer umfangreichen industriellen Anwendung und ihrer allgemein anerkannten Werte für die Streckgrenze und die Zugfestigkeit ausgewählt, um das große Potenzial und die Zuverlässigkeit der Eindringmethode zu zeigen. Die Proben wurden vor der Prüfung mechanisch auf Hochglanz poliert, um eine Beeinflussung der Prüfergebnisse durch Oberflächenrauhigkeit oder -fehler zu vermeiden. Die Prüfbedingungen sind in Tabelle 1 aufgeführt. An jeder Probe wurden mehr als zehn Prüfungen durchgeführt, um die Wiederholbarkeit der Prüfwerte zu gewährleisten.
Ergebnisse und Diskussion
Die Kraft-Weg-Kurven der SS304- und Al6061-Legierungsproben sind in Abbildung 3 dargestellt, wobei die Abdrücke der flachen Eindringkörper auf den Testproben eingezeichnet sind. Die Analyse der "S"-förmigen Belastungskurve mit Hilfe spezieller, von Nanovea entwickelter Algorithmen berechnet die Streckgrenze und die Zugfestigkeit. Die Werte werden von der Software automatisch berechnet und sind in Tabelle 1 zusammengefasst. Zum Vergleich sind die Werte für die Streckgrenze und die Zugfestigkeit aufgeführt, die mit herkömmlichen Zugversuchen ermittelt wurden.
Schlussfolgerung
In dieser Studie haben wir die Leistungsfähigkeit des Nanovea Mechanical Tester bei der Bewertung der Streckgrenze und Zugfestigkeit von Blechproben aus rostfreiem Stahl und Aluminiumlegierungen demonstriert. Der einfache Versuchsaufbau reduziert den Zeit- und Kostenaufwand für die Probenvorbereitung für Zugversuche erheblich. Die kleine Vertiefungsgröße ermöglicht die Durchführung mehrerer Messungen an einer einzigen Probe. Diese Methode ermöglicht YS/UTS-Messungen an kleinen Proben und lokalisierten Bereichen und bietet eine Lösung für die YS/UTS-Kartierung und lokale Defekterkennung von Rohrleitungen oder Autostrukturen.
Die Nano-, Mikro- oder Makromodule des Nanovea Mechanical Tester umfassen alle ISO- und ASTM-konforme Eindring-, Kratz- und Verschleißtestmodi und bieten so das umfassendste und benutzerfreundlichste Testspektrum, das in einem einzigen System verfügbar ist. Das unübertroffene Sortiment von Nanovea ist eine ideale Lösung zur Bestimmung des gesamten Spektrums mechanischer Eigenschaften dünner oder dicker, weicher oder harter Beschichtungen, Filme und Substrate, einschließlich Härte, Elastizitätsmodul, Bruchzähigkeit, Haftung, Verschleißfestigkeit und vielen anderen. Darüber hinaus sind ein optionaler berührungsloser 3D-Profiler und ein AFM-Modul für die hochauflösende 3D-Bildgebung von Eindrücken, Kratzern und Verschleißspuren zusätzlich zu anderen Oberflächenmessungen wie Rauheit erhältlich.
UND NUN ZU IHRER BEWERBUNG
Dynamische Belastung Tribologie
Dynamische Belastung Tribologie
Einführung
Verschleiß findet in praktisch jedem Industriesektor statt und verursacht Kosten in Höhe von ~0,75% des BIP1. Die Tribologieforschung ist von entscheidender Bedeutung für die Verbesserung der Produktionseffizienz und der Anwendungsleistung sowie für die Erhaltung von Material, Energie und Umwelt. Vibrationen und Schwingungen treten bei einer Vielzahl von tribologischen Anwendungen unvermeidlich auf. Übermäßige externe Vibrationen beschleunigen den Verschleißprozess und verringern die Betriebsleistung, was zu katastrophalen Ausfällen der mechanischen Teile führt.
Herkömmliche Totlasttribometer bringen normale Lasten durch Massengewichte auf. Eine solche Belastungstechnik schränkt nicht nur die Belastungsmöglichkeiten auf eine konstante Last ein, sondern erzeugt auch starke unkontrollierte Schwingungen bei hohen Lasten und Geschwindigkeiten, was zu begrenzten und uneinheitlichen Bewertungen des Verschleißverhaltens führt. Eine zuverlässige Bewertung der Auswirkungen kontrollierter Schwingungen auf das Verschleißverhalten von Werkstoffen ist für Forschung und Entwicklung sowie für die Qualitätskontrolle in verschiedenen industriellen Anwendungen wünschenswert.
Die bahnbrechende Hochlast von Nanovea Tribometer verfügt über eine maximale Tragfähigkeit von 2000 N mit einem dynamischen Lastkontrollsystem. Das fortschrittliche pneumatische Druckluft-Ladesystem ermöglicht es Benutzern, das tribologische Verhalten eines Materials unter hohen normalen Belastungen zu bewerten, mit dem Vorteil, unerwünschte Vibrationen zu dämpfen, die während des Verschleißprozesses entstehen. Daher wird die Last direkt gemessen, ohne dass Pufferfedern wie bei älteren Konstruktionen erforderlich sind. Ein oszillierendes Belastungsmodul mit parallelem Elektromagneten erzeugt eine gut kontrollierte Schwingung mit der gewünschten Amplitude von bis zu 20 N und einer Frequenz von bis zu 150 Hz.
Die Reibung wird mit hoher Genauigkeit direkt anhand der auf den oberen Halter ausgeübten Seitenkraft gemessen. Die Verschiebung wird vor Ort überwacht und gibt Aufschluss über die Entwicklung des Verschleißverhaltens der Testproben. Der Verschleißtest unter kontrollierter Schwingungsbelastung kann auch in Korrosions-, Hochtemperatur-, Feuchtigkeits- und Schmierumgebungen durchgeführt werden, um die realen Arbeitsbedingungen für tribologische Anwendungen zu simulieren. Ein integrierter Hochgeschwindigkeitsmotor berührungsloses Profilometer Misst automatisch die Morphologie der Verschleißspur und das Verschleißvolumen in wenigen Sekunden.
Messung Zielsetzung
In dieser Studie zeigen wir die Leistungsfähigkeit des Nanovea T2000 Dynamic Load Tribometers bei der Untersuchung des tribologischen Verhaltens verschiedener Beschichtungs- und Metallproben unter kontrollierten Schwingungsbelastungen.
Testverfahren
Das tribologische Verhalten, z.B. der Reibungskoeffizient (COF) und die Verschleißfestigkeit einer 300 µm dicken verschleißfesten Beschichtung wurde mit dem Nanovea T2000 Tribometer und einem konventionellen Totlasttribometer unter Verwendung eines Stift-Scheibe-Aufbaus nach ASTM G992 bewertet und verglichen.
Separate Cu- und TiN-beschichtete Proben gegen eine 6 mm große Al₂O₃-Kugel unter kontrollierter Oszillation wurden im Dynamic Load Tribology Mode des Nanovea T2000 Tribometers bewertet.
Die Prüfparameter sind in Tabelle 1 zusammengefasst.
Das integrierte 3D-Profilometer mit Zeilensensor tastet die Verschleißspur nach den Tests automatisch ab und liefert in Sekundenschnelle die genaueste Messung des Verschleißvolumens.
Ergebnisse und Diskussion
Pneumatisches Ladesystem vs. Totlastsystem
Das tribologische Verhalten einer verschleißfesten Beschichtung unter Verwendung des Nanovea T2000 Tribometers wird mit einem herkömmlichen Totlasttribometer (DL) verglichen. Die Entwicklung des COF der Beschichtung ist in Abb. 2 dargestellt. Wir stellen fest, dass die Beschichtung einen vergleichbaren COF-Wert von ~0,6 während des Verschleißtests aufweist. Die 20 Querschnittsprofile an verschiedenen Stellen der Verschleißspur in Abb. 3 zeigen jedoch, dass die Beschichtung unter dem Totlastsystem einen viel stärkeren Verschleiß erfährt.
Durch den Verschleißprozess des Totlastsystems bei hoher Belastung und Geschwindigkeit wurden intensive Vibrationen erzeugt. Der massive, konzentrierte Druck an der Kontaktfläche in Verbindung mit einer hohen Gleitgeschwindigkeit erzeugt erhebliche Gewichts- und Strukturschwingungen, die zu einem beschleunigten Verschleiß führen. Beim herkömmlichen Totlasttribometer wird die Belastung durch Massengewichte aufgebracht. Diese Methode ist bei niedrigeren Kontaktbelastungen unter milden Verschleißbedingungen zuverlässig; unter aggressiven Verschleißbedingungen bei höheren Belastungen und Geschwindigkeiten führen die erheblichen Vibrationen jedoch dazu, dass die Gewichte wiederholt ausschlagen, was zu einer ungleichmäßigen Verschleißspur und damit zu einer unzuverlässigen tribologischen Bewertung führt. Die berechnete Verschleißrate beträgt 8,0±2,4 x 10-4 mm3/N m, was eine hohe Verschleißrate und große Standardabweichung bedeutet.
Das Nanovea T2000 Tribometer ist mit einem dynamischen Kontroll-Ladesystem ausgestattet, um die Schwingungen zu dämpfen. Die normale Last wird mit Druckluft aufgebracht, wodurch unerwünschte Schwingungen während des Verschleißprozesses minimiert werden. Darüber hinaus sorgt die aktive Belastungssteuerung im geschlossenen Regelkreis dafür, dass während des gesamten Verschleißtests eine konstante Last aufgebracht wird und der Taststift der Tiefenänderung der Verschleißspur folgt. Wie in Abb. 3a zu sehen ist, wird ein deutlich gleichmäßigeres Profil der Verschleißspur gemessen, was zu einer niedrigen Verschleißrate von 3,4±0,5 x 10-4 mm3/N m führt.
Die in Abb. 4 gezeigte Analyse der Verschleißspur bestätigt, dass der Verschleißtest, der mit dem pneumatischen Druckluftsystem des Nanovea T2000 Tribometers durchgeführt wird, eine glattere und gleichmäßigere Verschleißspur im Vergleich zu einem konventionellen Totlasttribometer erzeugt. Darüber hinaus misst das Nanovea T2000 Tribometer die Verschiebung des Tastereinsatzes während des Verschleißprozesses, was einen weiteren Einblick in den Verlauf des Verschleißverhaltens in situ ermöglicht.
Kontrollierte Oszillation bei Abnutzung der Cu-Probe
Mit dem parallel oszillierenden Belastungs-Elektromagnetmodul des Nanovea T2000 Tribometers können die Auswirkungen von kontrollierten Amplituden- und Frequenzschwingungen auf das Verschleißverhalten von Materialien untersucht werden. Die COF der Cu-Proben wird in situ aufgezeichnet, wie in Abb. 6 dargestellt. Die Cu-Probe weist während der ersten Messung mit 330 Umdrehungen eine konstante COF von ~0,3 auf, was auf die Bildung eines stabilen Kontakts an der Grenzfläche und eine relativ glatte Verschleißspur hinweist. Im weiteren Verlauf des Verschleißtests deutet die Variation des COF auf eine Veränderung des Verschleißmechanismus hin. Im Vergleich dazu zeigen die Verschleißtests unter einer amplitudengesteuerten Oszillation von 5 N bei 50 N ein anderes Verschleißverhalten: Die COF steigt zu Beginn des Verschleißprozesses sofort an und zeigt während des gesamten Verschleißtests erhebliche Schwankungen. Dieses Verhalten der COF deutet darauf hin, dass die aufgezwungene Oszillation in der Normallast eine Rolle für den instabilen Gleitzustand am Kontakt spielt.
Abb. 7 vergleicht die mit dem integrierten berührungslosen optischen Profilometer gemessene Morphologie der Verschleißspur. Es ist zu beobachten, dass die Cu-Probe unter einer kontrollierten Schwingungsamplitude von 5 N eine viel größere Verschleißspur mit einem Volumen von 1,35 x 109 µm3 aufweist, verglichen mit 5,03 x 108 µm3 ohne auferlegte Schwingung. Die kontrollierte Oszillation beschleunigt die Verschleißrate signifikant um einen Faktor von ~2,7, was die kritische Wirkung der Oszillation auf das Verschleißverhalten zeigt.
Kontrollierte Oszillation bei der Abnutzung der TiN-Beschichtung
Die COF und die Verschleißspuren der TiN-Beschichtungsprobe sind in Abb. 8 dargestellt. Die TiN-Beschichtung weist ein deutlich unterschiedliches Verschleißverhalten unter Oszillation auf, wie die Entwicklung der COF während der Tests zeigt. Die TiN-Beschichtung zeigt nach der Einlaufphase zu Beginn des Verschleißtests einen konstanten COF von ~0,3, was auf den stabilen Gleitkontakt an der Schnittstelle zwischen der TiN-Beschichtung und der Al₂O₃-Kugel zurückzuführen ist. Wenn jedoch die TiN-Beschichtung zu versagen beginnt, dringt die Al₂O₃-Kugel durch die Beschichtung und gleitet gegen das frische Stahlsubstrat darunter. Gleichzeitig entsteht in der Verschleißspur eine beträchtliche Menge harter TiN-Beschichtungsreste, wodurch aus einem stabilen Zweikörper-Gleitverschleiß ein Dreikörper-Abriebverschleiß wird. Eine solche Änderung der Materialpaarungseigenschaften führt zu größeren Schwankungen bei der Entwicklung der COF. Die aufgezwungene Oszillation von 5 N und 10 N beschleunigt das Versagen der TiN-Beschichtung von ~400 Umdrehungen auf unter 100 Umdrehungen. Die größeren Verschleißspuren auf den TiN-Beschichtungsproben nach den Verschleißtests unter der kontrollierten Oszillation stehen im Einklang mit einer solchen Änderung der COF.
Schlussfolgerung
Das fortschrittliche pneumatische Belastungssystem des Nanovea T2000 Tribometers besitzt einen intrinsischen Vorteil als ein natürlich schneller Schwingungsdämpfer im Vergleich zu traditionellen Totlastsystemen. Dieser technologische Vorteil pneumatischer Systeme gilt auch im Vergleich zu lastgesteuerten Systemen, die eine Kombination aus Servomotoren und Federn zur Aufbringung der Last verwenden. Die Technologie gewährleistet eine zuverlässige und besser kontrollierte Verschleißbewertung bei hohen Belastungen, wie in dieser Studie gezeigt wurde. Darüber hinaus kann das aktive Lastsystem mit geschlossenem Regelkreis die normale Last während der Verschleißtests auf einen gewünschten Wert ändern, um reale Anwendungen in Bremssystemen zu simulieren.
Anstelle der Beeinflussung durch unkontrollierte Schwingungsbedingungen während der Tests haben wir gezeigt, dass das Nanovea T2000 Dynamic-Load Tribometer es dem Benutzer ermöglicht, das tribologische Verhalten von Materialien unter verschiedenen kontrollierten Schwingungsbedingungen quantitativ zu bewerten. Schwingungen spielen eine wichtige Rolle für das Verschleißverhalten von Metall- und Keramikbeschichtungsproben.
Das parallele elektromagnetische Schwingungsbelastungsmodul liefert präzise kontrollierte Schwingungen mit festgelegten Amplituden und Frequenzen, so dass der Benutzer den Verschleißprozess unter realen Bedingungen simulieren kann, bei denen Umgebungsschwingungen oft ein wichtiger Faktor sind. Bei Vorhandensein von aufgezwungenen Schwingungen während des Verschleißes zeigen sowohl die Cu- als auch die TiN-Beschichtungsproben eine deutlich erhöhte Verschleißrate. Die Entwicklung des Reibungskoeffizienten und die in situ gemessene Tasterauslenkung sind wichtige Indikatoren für die Leistung des Materials während der tribologischen Anwendungen. Das integrierte berührungslose 3D-Profilometer bietet ein Werkzeug zur präzisen Messung des Verschleißvolumens und zur sekundenschnellen Analyse der detaillierten Morphologie der Verschleißspuren, was zu einem besseren Verständnis des Verschleißmechanismus führt.
Das T2000 ist mit einem selbstabgestimmten, hochwertigen und drehmomentstarken Motor mit einem internen 20-Bit-Drehzahl- und einem externen 16-Bit-Positionsgeber ausgestattet. Er ermöglicht dem Tribometer einen unübertroffenen Drehzahlbereich von 0,01 bis 5000 U/min, der sich schrittweise oder kontinuierlich ändern kann. Im Gegensatz zu Systemen, die einen unten angebrachten Drehmomentsensor verwenden, nutzt das Nanovea-Tribometer eine oben angebrachte hochpräzise Kraftmesszelle, um die Reibungskräfte genau und separat zu messen.
Nanovea Tribometer bietet präzise und wiederholbare Verschleiß- und Reibungstests mit ISO- und ASTM-konformen Rotations- und Linearmodi (einschließlich 4-Kugel-, Anlaufscheiben- und Block-auf-Ring-Tests), mit optionalen Hochtemperatur-Verschleiß-, Schmier- und Tribokorrosionsmodulen in einem vorintegrierten System. Die unübertroffene Bandbreite des Nanovea T2000 ist eine ideale Lösung für die Bestimmung des gesamten Spektrums tribologischer Eigenschaften von dünnen oder dicken, weichen oder harten Beschichtungen, Filmen und Substraten.
UND NUN ZU IHRER BEWERBUNG
Analyse der Textur von Orangenschalen mit 3D-Profilometrie
Analyse der Textur von Orangenschalen mit 3D-Profilometrie
Einführung
Die Größe und Häufigkeit von Oberflächenstrukturen auf Substraten wirken sich auf die Qualität von Glanzlacken aus. Die Orangenschalentextur, die nach ihrem Aussehen benannt ist, kann sich durch den Einfluss des Substrats und der Lackauftragungstechnik entwickeln. Texturprobleme werden in der Regel anhand der Welligkeit, der Wellenlänge und der visuellen Wirkung, die sie auf Glanzlacke haben, quantifiziert. Kleinste Texturen führen zu einer Glanzminderung, während größere Texturen zu sichtbaren Wellen auf der beschichteten Oberfläche führen. Für die Qualitätskontrolle ist es wichtig, die Entwicklung dieser Texturen und ihre Beziehung zu Substraten und Techniken zu verstehen.
Die Bedeutung der Profilometrie für die Texturmessung
Im Gegensatz zu herkömmlichen 2D-Instrumenten zur Messung der Glanztextur liefert die berührungslose 3D-Messung schnell ein 3D-Bild, das zum Verständnis von Oberflächeneigenschaften verwendet wird, mit der zusätzlichen Möglichkeit, interessierende Bereiche schnell zu untersuchen. Ohne Geschwindigkeit und 3D-Überprüfung würde sich eine Qualitätskontrollumgebung ausschließlich auf 2D-Informationen verlassen, die kaum eine Vorhersagbarkeit der gesamten Oberfläche ermöglichen. Das Verständnis von Texturen in 3D ermöglicht die beste Auswahl von Verarbeitungs- und Kontrollmaßnahmen. Die Gewährleistung der Qualitätskontrolle solcher Parameter hängt in hohem Maße von quantifizierbaren, reproduzierbaren und zuverlässigen Inspektionen ab. Nanovea 3D berührungslos Profilometer nutzen die chromatische Konfokaltechnologie, um die einzigartige Fähigkeit zu haben, die steilen Winkel zu messen, die bei schnellen Messungen auftreten. Nanovea-Profilometer sind dort erfolgreich, wo andere Techniken aufgrund von Sondenkontakt, Oberflächenvariation, Winkel oder Reflexionsvermögen keine zuverlässigen Daten liefern können.
Messung Zielsetzung
In dieser Anwendung misst der Nanovea HS2000L die Orangenschalentextur eines Glanzlacks. Aus dem 3D-Oberflächenscan werden automatisch unzählige Oberflächenparameter berechnet. Hier analysieren wir eine gescannte 3D-Oberfläche, indem wir die Merkmale der Orangenschalentextur quantifizieren.
Ergebnisse und Diskussion
Mit dem Nanovea HS2000L wurden die Isotropie- und Höhenparameter der Orangenschalenfarbe quantifiziert. Die Orangenschalentextur quantifizierte die Richtung des Zufallsmusters mit 94,4% Isotropie. Die Höhenparameter quantifizieren die Textur mit einer Höhendifferenz von 24,84µm.
Die Kurve des Lagerungsverhältnisses in Abbildung 4 ist eine grafische Darstellung der Tiefenverteilung. Dabei handelt es sich um eine interaktive Funktion innerhalb der Software, die es dem Benutzer ermöglicht, Verteilungen und Prozentsätze in verschiedenen Tiefen anzuzeigen. Ein extrahiertes Profil in Abbildung 5 liefert nützliche Rauheitswerte für die Orangenschalentextur. Die Extraktion von Spitzenwerten oberhalb eines Schwellenwerts von 144 Mikrometern zeigt die Orangenschalentextur an. Diese Parameter können leicht an andere Bereiche oder Parameter von Interesse angepasst werden.
Schlussfolgerung
In dieser Anwendung charakterisiert das berührungslose 3D-Profilometer Nanovea HS2000L sowohl die Topografie als auch die Nanometer-Details der Orangenhauttextur auf einer glänzenden Beschichtung präzise. Interessante Bereiche aus 3D-Oberflächenmessungen werden schnell identifiziert und mit vielen nützlichen Messungen analysiert (Dimension, Rauheit, Oberflächenstruktur, Formtopographie, Ebenheit, Verzug, Planarität, Volumenbereich, Stufenhöhe usw.). Schnell ausgewählte 2D-Querschnitte bieten einen vollständigen Satz von Oberflächenmessressourcen zur Glanztextur. Spezielle Bereiche von Interesse können mit einem integrierten AFM-Modul weiter analysiert werden. Die Geschwindigkeit des Nanovea 3D Profilometers reicht von <1 mm/s bis 500 mm/s und eignet sich damit für Forschungsanwendungen ebenso wie für Hochgeschwindigkeitsinspektionen. Die Nanovea 3D-Profilometer verfügen über eine breite Palette von Konfigurationen, die für Ihre Anwendung geeignet sind.
