Modell NHT²
Nanoindenter für instrumentierte Eindringprüfung
Der Nanoindenter wird für die Ermittlung von Werkstoffkennwerten durch Eindringprüfung mit sehr kleinen Prüfkräften eingesetzt. Damit erfolgt die Bestimmung der Härte (z.B. für Beschichtungen) und weiterer Kennwerte des Werkstoffes (z.B. E-Modul, Streckgrenze). Damit lässt sich auch die Verteilung der Oberflächenhärte über eine Fläche zu bestimmen (Mapping). Dadurch können Aussagen über die Gleichmäßigkeit getroffen werden. Als Transferzentrum an der Hochschule bieten wir Nanoindentierung bzw. auch Nanoindentation genannt als Dienstleistung an.
Die Nanoindentierung erfolgt als sogenannte instrumentierte Eindringprüfung bei der die Härte und weitere Materialkennwerte aus der während der Messung aufgenommenen Kraft-Weg-Kurve während bestimmt werden. Solche Werkstoffkennwerte 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 einen bestimmten Werkstoff.
Analysen und Werkstoffkennwerte
- Härteprüfung Beschichtungen
- Haftfestigkeitsprüfung Beschichtungen
- Härteverteilung (Mapping)
- Härteverlaufsmessung
- Elastizitätsmodul
- Streckgrenze
- Speichermodul
- Verlustmodul
- Verlustfaktor
- Dämpfungsverhalten
- Vernetzungsgrad Lacke
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
Härteverlaufsmessung für Einhärtetiefe
Prüfkörper
- Berkovich
- Vickers
- Kegel
Spezifikation
- Prüfkraft: 0.1 – 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
- Matrixprüfung (Mapping)
- Lineare oder quadratische Belastung
Nanoindentation – Verfahren
Bei der Nanoindentation wird während eines Belastungs- und Entlastungsvorgang die Prüfkraft und Eindringtiefe des Prüfkörpers kontinuierlich gemessen. Deshalb wird diese Prüfung auch als instrumentierte Eindringprüfung bezeichnet. Aus der so gewonnenen Kraft-Weg-Kurve werden die Härte, der Elastizitätsmodul und das elastisch plastische Verhalten eines Werkstoffes oder Beschichtung ermittelt. Durch die Nanoindentierung ist es auch möglich die Streckgrenze quasi zerstörungsfrei durch eine Eindringprüfung zu bestimmen. Das hat den Vorteil, dass man die Streckgrenze am realen Bauteil erhält und das zudem noch am Bauteilrand. Denn die Streckgrenze dort bestimmt die Größe der Hertzschen Kontaktspannungen und unterscheidet sich oftmals erheblich von der Angabe in Datenblättern für einen Werkstoff. Denn diese wurde an Zugproben in einem Zugversuch bestimmt und stellt einen Mittelwert für das Probenvolumen für Zugbeanspruchung dar. Ein weiteres Anwendungsgebiet dieser Methode ist die Bestimmung der Streckgrenze von Beschichtungen.
Weitere Werkstoffkennwerte sind das Verlustmodul E‘‘ und das Speichermodul E‘. Das Verlustmodul E‘‘ beschreibt den viskosen (irreversiblen) Anteil eines Materials. Dieser viskose Anteil entspricht dem Verlustanteil der Energie, welcher durch innere Reibung in Wärme umgewandelt wird. Das Speichermodul E‘ beschreibt den elastischen (reversiblen) Anteil der Energie, welche nach Ausüben einer Kraft in der Probe gespeichert wird und nach Entlastung wieder Probe gewonnen werden kann. Der Verlustfaktor eines Werkstoffes als Verhältnis von Verlust- zu Speichermodul beschreibt die Werkstoffdämpfung. Bei Gleitreibungspaarungen dient der Verlustfaktor zur Charakterisierung der Neigung eines Werkstoffes zur Ausbildung eines Stick-Slip-Schwingungen.
Um die Härteverteilung über eine Fläche, zum Beispiel zur Untersuchung von Seigerungen, zu bestimmen, wird ein sogenanntes Härtemapping durchgeführt. Dabei werden die Prüfpunkte matrixförmig über die zu untersuchende Fläche verteilt und an jedem die Härte bestimmt.
Eine weitere Anwendung für die Nanoindentierung ist die Bestimmung des Vernetzungsgrades von Lackschichten, was insbesondere bei Isolierlacken ein wichtiges Merkmal darstellt. Dieser kann durch eine instrumentierte Eindringprüfung bestimmt werden indem entweder ein Härte-Tiefen-Verlauf bestimmt wird oder das Kriechverhalten bei konstanter Last.
Als Prüfkörper wird für die Nanoindentation i.d.R. ein Berkovich-Prüfdiamant verwendet. Die Berkovich-Spitze hat das gleiche Verhältnis von Kontaktoberfläche zu Tiefe wie ein Vickers-Eindringkörper, jedoch hat er durch seine Ausführung als dreiseitige Pyramide eine eindeutige Spitze und keine Dachkante wie der Vickers. Aufgrund der sehr kleinen Eindringtiefen des Prüfkörpers kann die Prüfung als quasi zerstörungsfrei betrachtet werden.
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