Modell NHT²
Nanoindenter für instrumentierte Eindringprüfung
Der Nanoindenter dient dazu die Härte und weitere interessante Materialeigenschaften durch eine Eindringprüfung mit sehr kleinen Prüfkräften zu bestimmen. Mit diesem Verfahren erfolgen auch Härteverlaufsmessungen an randschichtgehärteten Bauteilen zur Bestimmung der Einhärtetiefe und Härteprüfungen an Schweißnähten. Die Nanoindentierung ermöglicht es zusätzlich zur Härte weitere Materialkennwerte durch eine Eindringprüfung am tatsächlichen Bauteil zu bestimmen.
Die Nanoindentierung erfolgt als sogenannte instrumentierte Eindringprüfung. Bei dieser werden die Materialkennwerte aus der während der Messung aufgenommenen Kraft-Weg-Kurve bestimmt werden. Solche Materialkennwerte sind der Elastizitätsmodul (E-Modul), die Streckgrenze und der Verlustfaktor zur Charakterisierung des Dämpfungsverhaltens des Werkstoffes bestimmt. Die tatsächlichen Werte für Streckgrenze und E-Modul an der Oberfläche bestimmen die Höhe der Hertzschen Kontaktspannungen und somit die Lebensdauer des Bauteils. Diese Werte können zuverlässig nur durch Messung bestimmt werden und unterscheiden sich am realen Bauteil meistens erheblich von den Angaben in der Literatur für ein bestimmtes Material.
Wir bieten im Steinbeis-Transferzentrum Nanoindentierungen an Ihren Proben als Dienstleistung an.
Anwendungen
- Härteprüfung dünne Schichten
- Härteprüfung weiche Materialien
- Härteprüfung Gefügebestandteile
- Härteverlaufsmessung
- Härtemapping für Phasenuntersuchungen
- Dynamisch Mechanische Analyse (DMA)
- Streckgrenzenbestimmung
Kennwerte
- Härte
- Elastizitätsmodul
- Streckgrenze
- Verlustmodul
- Speichermodul
- Verlustfaktor
- Eindringkriechen
- Eindringrelaxation
- Kriechverhalten
- Verformungsarbeit
Normen
- Instrumentierte Eindringprüfung: ISO 14577, ASTM E2546
- Dynamisch-mechanische Analyse (DMA) Kunststoffe: ISO 6721
- Metallische Überzüge: ISO 4516
- Glaskeramik: ISO 9385
- Einsatzhärtetiefe: ISO 2639
- Randschichthärtetiefe: EN 10328, ISO 3754
- Nitrierhärtetiefe: DIN 50190-3
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 Nanoindentierung bzw. Nanoindentation werden die Kennwerte aus der während der Prüfung aufgezeichneten Kraft-Weg-Kurve ermittelt, weshalb diese als instrumentierte Eindringprüfung bezeichnet wird. Dadurch lassen sich die Oberflächenhärte, der Elastizitätsmodul und das elastisch plastische Verhalten des Werkstoffes bestimmen. Als Prüfkörper wird i.d.R. eine dreiseitige (Berkovich) Diamantpyramide mit einer definierten Kraft in das zu prüfende Bauteil eingedrückt. Durch die eindeutige Spitze des Prüfkörpers können in Zusammenhang mit den sehr geringen Prüfkräften und Eindringtiefen sehr kleine Werkstoffbereiche untersucht werden. Sie ist gekennzeichnet durch sehr kleine Prüfkräfte und geringe Eindringtiefen des Prüfkörpers, wodurch diese Art der Werkstoffprüfung als quasi zerstörungsfrei betrachtet werden kann.
Die Härteverlaufsmessung dient dazu um die Einhärtetiefe (EHT, RHT, NHT) von randschichtgehärteten Stählen 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 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.
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.
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 Nanoindentierung ist auch eine quasi zerstörungsfreie Streckgrenzenbestimmung am realen Bauteil möglich. Diese unterscheidet sich oftmals erheblich von den Angaben in Datenblättern, welche bestenfalls Mittelwerte für einen Werkstoff darstellen. Ein weiteres Anwendungsgebiet dieser Methode ist die Bestimmung der Streckgrenze von Beschichtungen. 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.