DE4119087A1

DE4119087A1 - Verfahren zum pruefen und messen der haftscherfestigkeit flaechenhafter verbindungen

Info

Publication number: DE4119087A1
Application number: DE19914119087
Authority: DE
Inventors: Klaus Prof Dr Breuer
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1991-06-10
Filing date: 1991-06-10
Publication date: 1992-02-06

Description

Das Verfahren zum Prüfen und Messen der Haftscherfestigkeit flächenhafter Verbindungen, wie z. B. von Schichten, Schichtsystemen, Verbundmaterialien und Verbunden, findet vorwiegend Anwendung in der Werkstofftechnik sowie in der Meß- und Prüftechnik.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich, mit geringem präparativem Aufwand und unter definierten Bedingungen die Haftscherfestigkeit flächenhafter Verbindungen, insbesondere von Schichten, Schichtsystemen, Verbundmaterialien und Verbunden, zu messen und zu prüfen.

Haftfestigkeiten sind nicht einfach meßbar. Haftfestigkeiten sind definiert als Quotient einer Kraft und einer durch ihre Wirkung abgetrennten Fläche. Die Haftscherfestigkeit ist der Quotient aus der im Scherversuch ermittelten Höchstkraft und der durch die Probenform gegebenen Scherfläche in der Bindungsfläche Auflagewerkstoff - Grundwerkstoff /DIN 5162/. Das ist in etwa auch die Definition als maximale Scherspannung im Augenblick des ersten Versagens /DIN EN 2377/.

Die Krafteinleitung ist problematisch. Schneidkantenform und die Maßhaltigkeit beider Kanten zueinander beeinflussen die notwendige Kraft, Materalien durch Scherung zu trennen. Auch das Material der Schneiden und besonders die Kraftzunahmegeschwindigkeit beim Prüfvorgang sind weitere Einflußgrößen. Zum Messen der Haftscherfestigkeit muß zudem noch die Scherung in Richtung und bündig mit der Haftfläche wirken.

Es ist ein Prüfverfahren bekannt, bei dem eine Druckausübung erfolgt, bis die Haftflächen sichtbar werden. Das setzt voraus, daß der Verbund vollständig gelöst werden muß /WP GO1N/ 321 530 4/.

Alle gegenwärtigen Verfahren benötigen einen hohen Präparationsaufwand bzw. sind nicht für dünne Schichten geeignet. Methoden wie Biege- und Scratch-Test sind bezüglich der Krafteinleitung unübersichtlich.

Das Problem wird dadurch gelöst, daß ein Prüfstempel gleichzeitig beide Materialien belastet und durch die elastische Deformation längs der Verbindung auf beide Werkstoffe verschieden große Kräfte übertragen werden und die Differenz beider Kräfte als Scherkraft wirksam wird.

Unter der Wirkung dieser Scherkraft wird die Haftfestigkeit der Verbindung zwischen Auflage- und Grundwerkstoff überschritten, die Bindung reißt auf, und die Größe der abgescherten Fläche ist feststellbar.

Zur Durchführung des Verfahrens wird die Probe senkrecht zu der zu prüfenden Verbundfläche eben geschliffen und poliert. Ein Prüfstempel wird mit ebenfalls polierter Unterseite auf die Prüffläche aufgesetzt. Durch Stempeldruck in Richtung der Verbundfläche ergeben sich vorteilhafte Bedingungen zur Scherbelastung. Mit dieser geometrisch sehr exakten Anordnung wird, wenn die Scherfestigkeit des Stempelmaterials hinreichend gering ist, die Scherhaftfestigkeit des Verbundes ermittelt und kann bei hinreichend geringer Scherhaftfestigkeit des Scherfestigkeit des Stempelmaterials vergleichsweise bestimmt werden. Als Grenzfälle sind hierbei einerseits Flüssigkeiten und Plasten mit zu vernachlässigender Scherfestigkeit zu nennen. Andererseits weisen aneinandergedrückte Auflage- und Grundwerkstoffe ebenfalls eine zu vernachlässigende Haftfestigkeit auf.

Zur Berechnung der Haftscherfestigkeit werden nur elastische Deformationen für Auflage-, Grundwerkstoff und Stempelmaterial vorausgesetzt. Aus den Elastizitätsmoduln und geometrische Abmessungen berechnet sich die Scherkraft F_S, die bei der Prüfung losgelöste Verbundfläche ΔA wird gemessen.

Die Haftfestigkeit τ ergibt sich zu:

F: Auf den Stempel wirkende Kraft
τ_S: Haftfestigkeit des Stempelmaterials
E₁, E₂, E_S: Elastizitätsmoduln von Grundwerkstoff, Auflagewerkstoff und Stempelmaterial
L: Länge des der Kraft ausgesetzten Verbundes
d₁, d₂: dito Dicke von Grund- bzw. Auflagewerkstoff
l, l_S: Proben- bzw. Stempelhöhe
A1: Tiefe der eingerissenen Verbundfläche

Im Falle zu vernachlässigender Scherfestigkeit des Stempelmaterials und hinreichend kleinem Elastizitätsmodul des Stempelmaterials (E_S«E₁, E₂) vereinfacht sich die Gleichung zu

Solange die Scherfestigkeit des Stempelmaterials geringer als die Haftscherfestigkeit ist, kann die Bindung aufgerissen werden. Sind beide Größen gleich, so löst sich die Bindung gerade nicht mehr, und die Haftscherfestigkeit ist gleich der Haftfestigkeit des Stempelmaterials. Diese kann nach DIN 50 141 ermittelt werden, so daß ein Anschluß an eine Norm zur Scherfestigkeit erreicht ist.

In einem ersten Ausführungsbeispiel (Fig. 1) wird eine Probe aus 1 mm dickem vernickelten Messingblech verwendet. Es sind 10 Proben der Größe 10×50 mm durch Kleben und Verschrauben zu einem Probekörper 1 zusammengefügt. Die Prüffläche 2 ist mit Schleifpapier abnehmender Körnung plan geschliffen und poliert. Dabei wurde die Krafteinwirkung gering gehalten, um den Verbund möglichst wenig zu belasten. Mit einem Mikroskop kann bei 200facher Vergrößerung gut zwischen Nickelschicht und Messingblech unterschieden und der noch intakte Verbund nachgewiesen werden.

Der Prüfstempel 3 aus gehärtetem Werkzeugstahl ist auf der zum Probekörper 1 hin gerichteten Seite plan geschliffen und poliert. Am Prüfstempel 3 befindet sich auf seiner Unterseite eine 2 mm dicke Folie 4 einer Bleilegierung. Der Prüfstempel 3 ist so angebracht, daß er am hinteren Ende über ein Stützelement 5 den Probekörper 3 mit nur geringer Kraft gegen die Unterlage 6 drückt. Am vorderen Ende wird für 5 min eine Kraft F von 500 N angelegt, danach der Prüfstempel 3 entfernt, die Folie 4 entnommen und in einem Mikroskop ausgewertet. Das vordere Endes des Probekörpers 3 ist als Abdruck auf der Folie 4 zu erkennen. Die Tiefe des Abdruckes nimmt von vorn nach hinten ab. Nickelschicht und Messingblech haben sich verschieden tief in die Folie 4 eingedrückt. Der Ort des gerade noch sichtbaren Abdruckes der Trennlinie zwischen Schicht und Blech wird vermessen. Aus der dort wirkenden Kraft und mit noch anderen Materialgrößen ist die Haftscherfestigkeit berechenbar. Im dargestellten Beispiel beträgt sie 0,33 MPa.

Im zweiten Ausführungsbeispiel Fig. 2 werden 1 mm dicke Aluminiumbleche, einseitig mit einer Bornitrit-Hartstoffschicht versehen, ausgemessen. Diese 12×60 mm große Streifen sind zu zwei Probekörpern 1 zusammengesetzt und durch seitliche Verschraubung unter mäßigem Druck aneinandergepreßt und auf eine Unterlage 6 aus Hartmetall aufgesetzt.

Darüber befindet sich ein in einer Klammer 7 aus Werkzeugstahl durch seitliche Versteifungen 8 mit geringem Druck zusammengehaltener Satz von Prüfstempeln 3. Er besteht aus 1,5 mm dicken Metallstreifen unterschiedlicher Scherfestigkeit. Die Festigkeitswerte wurden nach DIN 50 141 gemessen. Die Prüfstempel 3 liegen im rechten Winkel auf den Probekörpern 1 auf.

Über eine bewegliche Rolle 9 werden die Prüfstempel 3 nacheinander mit konstanter Kraft F auf die Prüfkörper 1 gedrückt. Die Rolle 9 bewegt sich gleichmäßig mit einer Geschwindigkeit von 1 mm/min.

Da, wo die Trennlinie zwischen Hartstoffschicht und Aluminiumblech an einer Aufdampfschicht an der Unterseite des Prüfstempels gerade noch bzw. gerade nichtmehr zu erkennen ist, wird die Scherfestigkeit der Verbindung durch die Scherfestigkeit des dort angeordneten Prüfstempels bestimmt. Es wurde ein Wert zwischen 0,02 und 0,05 MPa ermittelt.

Im dritten Ausführungsbeispiel Fig. 3 wird ein Probekörper 1, bestehend aus einer Keramik-Metall-Lötverbindung auf einer kreisförmigen Fläche von 100 mm² in Richtung der Grenzfläche belastet. Druckvermittler ist ein Kunststoff 12 hoher Plastizität, der wie eine Flüssigkeit wirkt.

Die Lötverbindung ist senkrecht zur Verbindungsfläche eben geschliffen und poliert. Auf die so präparierte Probefläche 2 wird, die Materialien beiderseits der Verbindungsfläche erfassend, ein Metallzylinder 10 durch eine Feder 11 mit mäßiger Kraft aufgesetzt.

Der Druck wird durch die Kraft F auf einen in den Zylinder leicht gleitend eingepaßten Prüfstempel 3 aus Metall erzeugt und über den 3 mm dicken Druckvermittler aus Kunststoff 12 auf die Prüffläche 2 übertragen. Die Kraft auf den Prüfstempel 3 und seine Bewegung werden über Sensoren aufgenommen und registriert.

Mit ansteigender Kraft ist nach einer Anpassungsphase des Druckvermittlers an die Konturen der angrenzenden Flächen eine nur geringe Weglängenänderung zu beobachten. Eine nachfolgend abrupte Änderung des Stempelweges zeigt das Reißen der Lötverbindung an.

Aufstellung der verwendeten Bezugszeichen

1 Probekörper
2 Prüffläche
3 Prüfstempel
4 Folie
5 Stützelement
6 Unterlage
7 Klammer
8 Versteifung
9 Rolle
10 Metallzylinder
11 Feder
12 Kunststoff

Claims

1. Verfahren zum Prüfen und Messen der Haftscherfestigkeit flächenhafter Verbindungen, insbesondere von Schichten, Schichtsystem, Verbundmaterialien und Verbunden, dadurch gekennzeichnet, daß die Materialien beiderseits der zu prüfenden Verbindung durch Druck im Bereich von 0,1 MPa bis 1000 MPa mit einer maximalen Druckzunahmegeschwindigkeit von 10 MPa/s so belastet werden, daß der Verbund teilweise gelöst und/oder ein Abdruck der Verbindung im Prüfstempel (3) erzeugt und dieser Abdruck oder die belastete Verbindung selbst ausgewertet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Materialien beiderseits der Verbindung verschiedene Elastizitätsmoduln aufweisen.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck durch eine Flüssigkeit ausgeübt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Abdruck in einem Prüfstempel (3), bestehend aus dem Stempelmaterial und einer Folie (4), erzeugt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Abdruck in einem Prüfstempel (3), der beschichtet ist, erzeugt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß mittels Materialien verschiedener Scherfestigkeit gleichzeitig oder nacheinander Druck ausgeübt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß gleichzeitig mehrere Verbindungen gleicher oder verschiedener Haftscherfestigkeit geprüft werden.