Modell NHT²
Nanoindenter für Härteprüfung und Materialcharakterisierung
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.
Hier sind einige Einsatzgebiete eines Nanoindenters:
- 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.
Dienstleistungen
- Härteprüfung dünner Schichten
- Härteprüfung weicher Materialien
- Härteprüfung Gefügebestandteile
- Härteverlaufsmessung
- Härtemapping (Messpunktfeld)
- Dynamisch Mechanische Analyse (DMA)
- Bestimmung Streckgrenze
- Bestimmung Elastizitätsmoduls
- Bestimmung der Verformbarkeit
- Bestimmung Werkstoffdämpfung
Anwendungen
- Härteprüfung
- Materialcharakterisierung
Kennwerte
- Härte (Vickers, Martens, Universal)
- Elastizitätsmodul
- Streckgrenze
- Verlustmodul
- Speichermodul
- Verlustfaktor
- Eindringkriechen
- Eindringrelaxation
- Kriechverhalten
- Verformungsarbeit
Normen
- Instrumentierte Eindringprüfung: ISO 14577-1:2015
- Dynamisch-mechanische Analyse (DMA) Kunststoffe: ISO 6721-1:2019
- 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
Beispiel
Härteverlaufsmessungen
Prüfkörper
- Berkovich
- Vickers
- Kegel
Spezifikation
- Prüfkraft: 0.5 – 500 mN
- Eindringtiefe: 0.01 – 200 µm
- Positioniergenauigkeit: 2 µm
Betriebsmodi
- 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
Verfahren
Bei der Nanoindentation bzw. Nanoindentierung werden die Kennwerte aus der während der Prüfung aufgezeichneten Kraft-Weg-Kurve ermittelt. Deshalb wird diese Methode auch als instrumentierte Eindringprüfung bezeichnet. Dadurch lassen sich die Härte, der Elastizitätsmodul und das elastisch-plastische Verhalten des Werkstoffs bestimmen. Als Prüfkörper wird in der Regel eine dreiseitige (Berkovich-)Diamantpyramide mit einer definierten Kraft in das zu prüfende Bauteil eingedrückt. Aufgrund der eindeutigen Spitze des Prüfkörpers und der sehr geringen Prüfkräfte und Eindringtiefen können mit dieser Methode sehr kleine Werkstoffbereiche untersucht werden.
Die Härteprüfung einer Beschichtung erfolgt üblicherweise mittels Nanoindentation. Je nach Beschichtung erfolgt die Härteprüfung von der Oberfläche aus oder im Querschliff. Dazu werden die Härteprüfpunkte exakt in die Querschnittsfläche der Beschichtung gesetzt.
Die Härteverlaufsmessung dient dazu um die Einhärtetiefe (CHD, SHD, NHD) von randschichtgehärteten Stählen zu bestimmen. Bei dieser wird eine Reihe von Härteeindrücken am polierten Querschliff vom Probenrand in Richtung der Probenmitte gesetzt. Aus diesem so ermittelten Härte-Tiefen-Verlauf wird die Einhärtetiefe ermittelt. Diese wird je nach Verfahren als Einsatzhärtetiefe Eht, Nitrierhärtetiefe Nht oder Randschichthärtetiefe Rht bezeichnet. Mit der Härteverlaufsmessung erfolgt auch die Härteprüfung von Schweißnähten.
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.
Die Dynamisch-Mechanische Analyse (DMA) dient 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.
Durch die Nanoindentation ist die Bestimmung der Streckgrenze am realen Bauteil möglich. Dies hat den Vorteil, dass die Streckgrenze am realen Bauteil mit all seinen Eigenschaften bestimmt werden kann. Damit entfallen alle Probleme, die mit der Herstellung von Zugproben und deren vom realen Bauteil abweichenden Eigenschaften verbunden sind. 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.