Nanoindenter Anton Paar NHT²
Die Nanoindenter dient zur hochpräzisen Charakterisierung der mechanischen Eigenschaften von Werkstoffen mittels Eindringprüfung. Haupteinsatzgebiet ist die Bestimmung der Härte, des E-Moduls und anderer mechanischer Eigenschaften von mikroskopisch kleinen Bereichen sowie von dünnen Schichten. Diese Art der Werkstoffprüfung zählt aufgrund der geringen Kräfte und der geringen Eindringtiefe des Prüfkörpers zu den quasi-zerstörungsfreien Prüfverfahren.
Mit dem Nanoindenter werden aus der Kraft-Weg-Kurve mechanische Kennwerte bestimmt, weshalb das Verfahren auch instrumentierte Eindringprüfung genannt wird. So lassen sich Härte, Elastizitätsmodul und das elastisch-plastische Verhalten eines Werkstoffs ermitteln.
Wir bieten Untersuchungen mittels Nanoindenter als Dienstleistung an:
- Härteprüfung Beschichtungen
- Härteprüfung weicher Materialien
- Härteprüfung Gefügebestandteile
- Härteverlaufsmessung
- Härtemapping (Messpunktfeld)
- Dynamisch Mechanische Analyse (DMA)
- Bestimmung Dehngrenze (Streckgrenze)
- Bestimmung Elastizitätsmoduls
- Bestimmung der Verformbarkeit
- Bestimmung Werkstoffdämpfung
Ein Nanoindenter dient zur Untersuchung mechanischer Eigenschaften von Werkstoffen auf mikroskopischer Skala. Er wird insbesondere zur Härteprüfung empfindlicher Materialien, dünner Schichten sowie zur Bestimmung von Härtetiefenverläufen eingesetzt. Darüber hinaus ermöglicht die instrumentierte Eindringprüfung mit dem Nanoindenter die Bestimmung des Elastizitätsmoduls und der Streckgrenze direkt am realen Bauteil, ohne dass aufwendige Zugproben erforderlich sind. Zusätzlich liefert das Verfahren Informationen über die Verformbarkeit und Plastizität eines Werkstoffs, wodurch lokale Unterschiede in den mechanischen Eigenschaften erkannt und mögliche Ursachen für Materialversagen oder Brüche identifiziert werden können.
- Härte (Vickers, Martens, Universal)
- Elastizitätsmodul
- Streckgrenze
- Verlustmodul
- Speichermodul
- Verlustfaktor
- Eindringkriechen
- Eindringrelaxation
- Kriechverhalten
- Verformungsarbeit
- Instrumentierte Eindringprüfung: ISO 14577-1:2015
- Dynamisch-mechanische Analyse (DMA) Kunststoffe: ISO 6721-1:2019
- Lineare elastische dynamische instrumentierte Eindringprüfung (DIIT): ISO 14577-5:2022
- Glaskeramik: ISO 9385:1990
- Sinterwerkstoffe: ISO 4498:2010
- Einsatzhärtungstiefe CHD bzw. Eht: ISO 18203:2016
- Randschichthärtetiefe SHD bzw. Rht: ISO 18203:2016
- Nitrierhärtetiefe NHD bzw. Nht: ISO 18203:2016
- Berkovich
- Vickers
- Kegel
- Kraftgeregelte oder weggeregelte Eindringprüfung
- Dynamische Prüfzyklus mit zunehmender Prüfkraft oder Eindringtiefe
- Kontinuierlicher und progressiver Multizyklus
- Sinusmode für oszillierende Lastaufbringung (5-20 Hz)
- Matrixprüfung (Mapping)
- Lineare oder quadratische Belastung
- Prüfkraft: 0.5 – 500 mN
- Eindringtiefe: 0.01 – 200 µm
- Positioniergenauigkeit: 2 µm
Bei der Nanoindentation werden die Werkstoffkennwerte mithilfe der Eindringprüfung aus der während der Prüfung aufgezeichneten Kraft-Weg-Kurve ermittelt. Dieses Prüfverfahren wird daher auch als instrumentierte Eindringprüfung bezeichnet. Gemäß ISO 14577-1:2015 können damit die Härte, der Elastizitätsmodul, die Streckgrenze sowie die Verformbarkeit bzw. Plastizität des Werkstoffs bestimmt werden. In der Regel wird dazu eine dreiseitige (Berkovich-)Diamantpyramide mit einer definierten Kraft in das zu prüfende Bauteil eingedrückt. Durch die scharfe Spitze des Prüfkörpers in Verbindung mit den sehr geringen Prüfkräften und Eindringtiefen können sehr kleine Werkstoffbereiche untersucht werden.
Kraft-Weg-Kurve
Bei der Härteverlaufsmessung, auch Härteverlaufsprüfung genannt, wird der Härte-Tiefen-Verlauf eines Materials ermittelt. Die Messung wird im Querschliff durchgeführt. Hierzu wird aus dem Bauteil ein metallographischer Schliff hergestellt und die zu untersuchende Oberfläche sorgfältig präpariert. Anschließend werden mit kleinen Prüfkräften mehrere Härteeindrücke in definierten Abständen von der Oberfläche in Richtung Probenmitte gesetzt, um den Härteverlauf über die Tiefe zu erfassen. Wenn die geforderte Ortsauflösung für die Prüfpunkte gering ist, kommt es zu einer gegenseitigen Beeinflussung. Deshalb werden zur Wahrung des Mindestabstandes für die Prüfpunkte mehrere versetzte Prüfreihen durchgeführt. So lassen sich Härteprofile und lokale Härteunterschiede über den gesamten Querschnitt präzise erfassen.
Ein Einsatzbereich der Härteverlaufsmessung ist die Bestimmung der Einhärtetiefe von randschichtgehärteten Bauteilen. Je nach Wärmebehandlungsverfahren wird diese als Einsatzhärtetiefe (CHD, Eht), Nitrierhärtetiefe (NHD, Nht) oder Randschichthärtetiefe (SHD, Rht) bezeichnet. Mit der Härteverlaufsmessung können auch Härteverteilungen (z. B. Aufschmelzzonen) von Schweißnähten bestimmt werden.
Härteverlaufsmessung
Zur Bestimmung der Härteverteilung über eine definierte Fläche wird ein Härtemapping durchgeführt. Dabei werden die Prüfpunkte matrixförmig über die zu untersuchende Fläche verteilt. Durch diese dichte Rasterung lassen sich detaillierte Aussagen über die Homogenität der Werkstoffeigenschaften treffen.
Anhand der ermittelten Härteverteilung können nicht nur lokale Schwankungen erkannt, sondern auch Rückschlüsse auf Gefügeinhomogenitäten, beispielsweise auf Seigerungen durch Perlit in Stählen, gezogen werden. Ebenso lassen sich andere Mikrostrukturbesonderheiten wie Karbid- oder Nitrideinschlüsse, Korngrenzeneffekte oder lokale Verfestigungen identifizieren.
Härtemapping im Querschliff mittels Nanoindentation
Sowohl die dynamisch-mechanische Analyse (DMA) nach ISO 6721-1:2019 als auch die lineare elastische dynamische instrumentierte Eindringprüfung (DIIT) nach ISO 14577-5:2022 beschreiben die Bestimmung viskoelastischer Werkstoffkennwerte, wie dem Verlustmodul E″ und dem Speichermodul E′, von Werkstoffen. Dazu wird die Prüfkraft sinusförmig auf den in das Material eindringenden Prüfkörper aufgebracht. Das Verhältnis von Verlustmodul zu Speichermodul wird auch als Verlustfaktor η bezeichnet.
Wozu dient der Verlustmodul E‘?
- Beschreibt den viskosen (irreversiblen) Anteil eines Werkstoffs.
- Vergleich verschiedener Werkstoffe hinsichtlich ihrer Elastizität
- Bewertung von Alterungs- und Schädigungsprozessen
- Untersuchung der Temperaturabhängigkeit der Steifigkeit
- Ermittlung von Glasübergangs- und Erweichungsbereichen
Wozu dient der Speichermodul E“?
- Beschreibt den elastischen (reversiblen) Anteil der Energie.
- Bestimmung von Relaxations- und Umwandlungsprozessen
- Analyse von Alterungs- und Schädigungsmechanismen
- Bewertung von Vernetzungszuständen
- Ermittlung des Glasübergangs
Wozu dient der Verlustfaktor η?
- Vergleich der viskoelastischen Eigenschaften verschiedener Werkstoffe
- Charakterisierung des Dämpfungsverhaltens
- Bestimmung des Glasübergangs
- Bewertung von Schwingungs- und Geräuschdämpfung
- Bei Gleitreibpaarungen dient der Verlustfaktor zur Charakterisierung der Neigung eines Werkstoffs zur Ausbildung von Stick-Slip-Schwingungen.
Die Bestimmung der Dehngrenze (Streckgrenze) mittels Nanoindentation ist eine Methode, mit der sich die Dehngrenze an realen Bauteilen ermitteln lässt, ohne dass Zugproben angefertigt werden müssen. Diese Methode wird häufig für die Charakterisierung von Beschichtungen und kleinen Bauteilen verwendet.
Zur Bestimmung des Zusammenhangs von Spannung und Dehnung wird ein sphärischer Prüfkörper verwendet. Die Prüfkraft wird mit einem überlagerten Sinus ansteigend aufgebracht. Aus der so bestimmten Spannungs-Dehnungs-Kurve wird anschließend die Streckgrenze berechnet.
- Anwendung: Diese Methode ist besonders nützlich für die Untersuchung von dünnen Schichten, Beschichtungen und Mikrostrukturen, bei denen herkömmliche Zugversuche nicht möglich sind.
- Vorteile: Die Nanoindentation erfordert nur eine sehr kleine Probenmenge, liefert schnelle Ergebnisse und erlaubt die Analyse mechanischer Eigenschaften auf mikroskopischer Ebene.
Härtemapping im Querschliff mittels Nanoindentation
Steinbeis-Transferzentrum an der Dualen Hochschule Karlsruhe
Mitglied in Deutschlands Spitzencluster microTEC