Nanoindentation
Die Nanoindentation dient zur hochpräzisen Charakterisierung der mechanischen Eigenschaften von Werkstoffen mittels instrumentierter Eindringprüfung. Dabei werden typischerweise Härte, Elastizitätsmodul, Verformungsarbeit und andere mechanische Eigenschaften mit kleinen Prüfkräften und Eindringtiefen des Prüfkörpers bestimmt. Bei der Nanoindentation werden die Kennwerte aus der während der Prüfung aufgenommenen Kraft-Weg-Kurve bestimmt, weshalb man von einer instrumentierten Eindringprüfung spricht.
Wir führen als Steinbeis-Transferzentrum die Nanoindentation als Dienstleistung durch.
Dienstleistungen
- Härteprüfung dünner Schichten
- Härteprüfung weicher Materialien
- Härteprüfung Gefügebestandteile
- Härteverlaufsmessung
- Härtemapping
- Dynamisch Mechanische Analyse (DMA)
- Dehngrenzenbestimmung
- Elastizitätsmoduls (E-Modul)
- Elast./Plast. Verformbarkeit
- Bestimmung Werkstoffdämpfung
Gerne erstellen wir Ihnen ein Angebot für Nanoindentation Ihrer Bauteile.
Wozu dient die Nanoindentation?
Die Nanoindentation wird zur Bestimmung der mechanischen Eigenschaften von Werkstoffen eingesetzt. Es handelt sich um eine fortschrittliche Technik, die besonders für die Charakterisierung von sehr kleinen Volumina, Beschichtungen und Mikrostrukturen geeignet ist.
- Härteprüfung: Der Nanoindenter wird zur Messung der Härte von empfindlichen Werkstoffen, dünnen Schichten und zur Bestimmung des Härtetiefenverlaufs eingesetzt.
- Elastizitätsmodul: Die Nanoindentation als instrumentierte Eindringprüfung wird zur Bestimmung des Elastizitätsmoduls eines Werkstoffs am realen Bauteil eingesetzt.
- Streckgrenze: Auch die Bestimmung der Streckgrenze am realen Bauteil kann mit dem Nanoindenter durchgeführt werden. Damit entfallen alle Probleme mit Zugproben und deren Herstellung oder abweichenden Eigenschaften.
- Verformbarkeit: Die Nanoindentation liefert Informationen über die Verformbarkeit und Plastizität eines Werkstoffs. Dadurch können lokal abweichende mechanische Eigenschaften identifiziert werden, die häufig die Ursache von Brüchen sind.
Instrumentierte Eindringprüfung
Bei der Nanoindentation werden die Werkstoffkennwerte mit Hilfe der Eindringprüfung aus der während der Prüfung aufgezeichneten Kraft-Weg-Kurve ermittelt. Sie wird daher als instrumentierte Eindringprüfung bezeichnet. Nach ISO 14577-1:2015 können damit die Härte, der Elastizitätsmodul, die Streckgrenze und die Verformbarkeit bzw. Plastizität des Werkstoffes bestimmt werden. Als Prüfkörper wird in der Regel 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
Härteprüfung Beschichtung
Härteprüfung von der Oberfläche
Wird die Härte von Beschichtungen von der Oberfläche aus bestimmt, dann muss die minimale Eindringtiefe des Prüfkörpers größer als die Rauheit sein und gleichzeitig deutlich kleiner als die Schichtdicke. Nach ISO 14577-4 soll die Eindringtiefe mindestens das 20fache von arithmetischen Rauheit Ra bzw. das 2-3 fache der maximalen Höhe des Rauheitsprofils Rz betragen. Bei der maximalen Eindringtiefe unterscheidet man:
- für harte Beschichtung auf weichem Substrat nach ISO 14577-1: Eindringtiefe h < 1/10 der Schichtdicke d (Bückle-Regel)
- für weiche Beschichtung auf hartem Substrat: Eindringtiefe h < 1/3 der Schichtdicke d
Härteprüfung im Querschliff
Zur Bestimmung der Härte im Querschliff muss zunächst der Querschnitt freigelegt und präpariert werden. Dazu wird aus dem zu prüfenden Bauteil mit einem Präzisionstrennschleifer eine Probe entnommen, in eine Einbettmasse eingebettet, geschliffen und ggf. poliert. Anschließend werden die Härteprüfpunkte exakt in die Querschnittsfläche der Beschichtung platziert.
Abdrücke Berkovich-Prüfkörper in Beschichtung
Härteverlaufsmessung
Die Härteverlaufsmessung oder Härteverlaufsprüfung dient dazu den Härte-Tiefen-Verlauf eines Materials zu bestimmen. Bei dieser wird eine Reihe von Härteeindrücken am polierten Querschliff vom Probenrand in Richtung der Probenmitte gesetzt. Dies erfolgt mit der Mikrohärteprüfung oder der Nanoindentierung mit kleinen Prüfkräften. Aus diesem so ermittelten Härte-Tiefen-Verlauf kann die Grenzhärte bestimmt werden, die je nach Wärmebehandlungsverfahren als Einsatzhärtetiefe Eht, Nitrierhärtetiefe Nht oder Randschichthärtetiefe Rht bezeichnet. Mit der Härteverlaufsmessung erfolgen auch Härteprüfungen von Schweißnähten.
Härteverlaufsmessung
Härtemapping
Härtemapping
Um die Härteverteilung über eine definierte Fläche zu bestimmen, 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 so ermittelten Härteverteilung können nicht nur lokale Schwankungen erkannt werden, sondern auch Rückschlüsse auf Gefügeinhomogenitäten gezogen werden, beispielsweise auf Seigerungen durch Perlit in Stählen. Ebenso lassen sich andere Mikrostrukturbesonderheiten wie Karbid- oder Nitrideinschlüsse, Korngrenzeneffekte oder lokale Verfestigungen identifizieren.
Dynamisch-Mechanische Analyse (DMA)
Die Dynamisch-Mechanische Analyse (DMA) nach ISO 6721-1:2019 dient der Bestimmung viskoelastischer Werkstoffkennwerte, z. B. des Verlustmoduls E‘‘ und des Speichermoduls E‘ von Werkstoffen. Dazu wird die Prüfkraft sinusförmig auf den in das Material eindringenden Prüfkörper aufgebracht. Der Verlustmodul E‘‘ beschreibt den viskosen (irreversiblen) Anteil eines Werkstoffes. Der Speichermodul E‘ beschreibt den elastischen (reversiblen) Anteil der Energie. Der Verlustfaktor eines Werkstoffes als Verhältnis von Verlustmodul zu Speichermodul beschreibt die Dämpfung des Werkstoffes. Bei Gleitreibpaarungen dient der Verlustfaktor zur Charakterisierung der Neigung eines Werkstoffes zur Ausbildung von Stick-Slip-Schwingungen.
Dehngrenze (Streckgrenze)
Die Bestimmung der Dehngrenze (auch als Streckgrenze oder Fließgrenze bezeichnet) mittels Nanoindentation ist eine fortschrittliche Methode, die insbesondere für dünne Filme, Beschichtungen oder mikroskopisch kleine Proben verwendet wird. Bei der Nanoindentation wird ein sehr kleiner, scharfer Eindringkörper (Indenter) unter kontrollierter Kraft in das Material gedrückt, und die Eindringtiefe wird genau gemessen.
Zur Bestimmung des Zusammenhanges von Spannung und Dehnung wird ein sphärischer Prüfkörper verwendet. Die Prüfkraft wird ansteigend mit einem überlagerten Sinus aufgebracht und aus der so bestimmten Spannungs-Dehnungs-Kurve 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.