Nanoindentation
Die Nanoindentation dient der hochpräzisen Charakterisierung der mechanischen Eigenschaften von Werkstoffen mittels instrumentierter Eindringprüfung. Haupteinsatzgebiet ist die Bestimmung von Härte, E-Modul und weiterer mechanischen Eigenschaften. Aufgrund der kleinen Prüfkräfte und der geringen Eindringtiefe des Prüfkörpers zählt diese Art der Werkstoffprüfung zu den quasi-zerstörungsfreien Prüfverfahren. Bei der Nanoindentation werden die Kennwerte aus der während der Prüfung aufgenommenen Kraft-Weg-Kurve ermittelt, weshalb man von einer instrumentierten Eindringprüfung spricht.
Wir führen als Steinbeis-Transferzentrum Nanoindentationen als Dienstleistung durch.
Wozu dient die Nanoindentation?
Die Nanoindentation dient dazu, die mechanischen Eigenschaften von Materialien zu messen. Es handelt sich um eine fortschrittliche Technik, die besonders nützlich ist für die Charakterisierung von sehr kleinen Volumina, dünnen Schichten, Mikrostrukturen und Nanomaterialien.
- Härte und Elastizitätsmodul: Nanoindentation ermöglicht die präzise Bestimmung der Härte und des Elastizitätsmoduls eines Materials auf sehr kleinen Skalen.
- Analyse von dünnen Filmen und Beschichtungen: Diese Technik ist ideal, um die mechanischen Eigenschaften von dünnen Schichten und Oberflächenbeschichtungen zu untersuchen, die mit herkömmlichen Methoden schwer zu charakterisieren sind.
- Bewertung der mechanischen Eigenschaften in lokalen Bereichen: Sie ermöglicht die Untersuchung der mechanischen Eigenschaften in spezifischen, lokalisierten Bereichen eines Materials, wie z.B. in der Nähe von Defekten, Grenzflächen oder in unterschiedlichen Phasen.
- Untersuchung von Mikro- und Nanostrukturen: Nanoindentation kann verwendet werden, um die mechanischen Eigenschaften von einzelnen Körnern, Phasen oder Nanostrukturen innerhalb eines Materials zu bestimmen.
- Kriech- und Relaxationseigenschaften: Nanoindentation kann verwendet werden, um zeitabhängige mechanische Eigenschaften wie Kriechen und Spannungsrelaxation zu messen.
Was bietet unser Steinbeis-Transferzentrum?
- Präzise Messungen: Mit modernsten Messgeräten führen wir präzise und zuverlässige Nanoindentationen durch und liefern Ihnen zuverlässige Daten über die Materialeigenschaften.
- Fachkundige Expertise: Die Messungen werden von qualifizierten Materialwissenschaftlern/innen durchgeführt, die Ihnen bei Fragen gerne zur Verfügung stehen.
- Kundenzentrierter Ansatz: Jeder Auftrag ist individuell, daher sind unsere Analysen auf die jeweiligen kundenspezifischen Anforderungen zugeschnitten.
Dienstleistungen
- Härteprüfung dünner Schichten
- Härteprüfung weicher Materialien
- Härteprüfung Gefügebestandteile
- Härteverlaufsmessung
- Härtemapping (Messpunktfeld)
- Dynamisch Mechanische Analyse (DMA)
- Dehngrenze
- Elastizitätsmoduls (E-Modul)
- Elast./Plast. Verformbarkeit
- Werkstoffdämpfung
Gerne erstellen wir Ihnen ein Angebot für Nanoindentation Ihrer Bauteile.
Instrumentierte Eindringprüfung
Bei der Nanoindentation werden die Werkstoffkennwerte mittels Eindringprüfung aus der während der Prüfung aufgezeichneten Kraft-Weg-Kurve ermittelt. Sie wird daher als instrumentierte Eindringprüfung bezeichnet. Damit können nach ISO 14577-1:2015 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
Mit dem sogenannten Härtemapping kann die flächenhafte Verteilung von Werkstoffeigenschaften (Härte, E-Modul uvm.) bestimmt werden. Dabei werden die Prüfpunkte matrixartig über die zu untersuchende Fläche verteilt. So lässt sich zum Beispiel die Verteilung der einzelne Phasen im Gefüge bestimmen.
Dynamisch-Mechanische Analyse (DMA)
Die Dynamisch-Mechanische Analyse (DMA) nach ISO 6721-1:2019dient dazu viskoelastische Materialkennwerte zu ermitteln, z.B. Verlustmodul E‘‘ und Speichermodul E‘ von Materialien. Dazu wird auf den ins Material eindringenden Prüfkörper die Prüfkraft sinusförmig aufgebracht. Das Verlustmodul E‘‘ beschreibt den viskosen (irreversiblen) Anteil eines Materials. Das Speichermodul E‘ beschreibt den elastischen (reversiblen) Anteil der Energie. Der Verlustfaktor eines Werkstoffes, als Verhältnis von Verlust- zu Speichermodul, beschreibt die Werkstoffdämpfung. Bei Gleitreibpaarungen dient der Verlustfaktor zur Charakterisierung der Neigung eines Werkstoffes zur Ausbildung von Stick-Slip-Schwingungen.
Dehngrenze
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.