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 und Schweißnähten. Die Härteprüfung ist ein Mittel zur Unterscheidung von Werkstoffeigenschaften und eines der am häufigsten verwendeten Prüfverfahren der Materialprüfung. Die Nanoindentierung ermöglicht es für Materialprüfungen weitere Materialkennwerte durch eine Eindringprüfung am tatsächlichen Bauteil zu bestimmen.
Die Nanoindentierung erfolgt als sogenannte instrumentierte Eindringprüfung bei der 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 als Dienstleistung an.
Anwendungen
- Beschichtungen
- Weiche Materialien
- Gefügebestandteile
- Härteverlauf
- Härteverteilung (Mapping)
- Dynamisch Mechanische Analyse (DMA)
- Vernetzungsgrad Lack
- Kriechverhalten
Kennwerte
- Härte
- Elastizitätsmodul
- Streckgrenze
- Verlustmodul
- Speichermodul
- Verlustfaktor
- Eindringkriechen
- Eindringrelaxation
- 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
Härteverlaufsmessung für Einhärtetiefe
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
Nanoindentation – Verfahren
Bei der Nanoindentierung (Nanoindentation) wird i.d.R. eine dreiseitige (Berkovich) Pyramide 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. Während der Belastung und Entlastung wird die Prüfkraft und die Eindringtiefe des Prüfkörpers kontinuierlich gemessen. Deshalb wird diese als instrumentierte Eindringprüfung bezeichnet, Diese Art der Prüfung ist gekennzeichnet durch kleine Prüfkräfte und geringe Eindringtiefen des Prüfkörpers, wodurch diese Werkstoffprüfung als quasi zerstörungsfrei betrachtet werden kann.
Aus der aufgezeichneten Kraft-Weg-Kurve werden die Härte, der Elastizitätsmodul und das elastisch plastische Verhalten eines Werkstoffes ermittelt.
Um die Härteverteilung über eine Fläche, zum Beispiel zur Untersuchung von Seigerungen, zu bestimmen, wird ein sogenanntes Härtemapping durchgeführt. Dabei werden die Prüfpunkte matrixartig über die zu untersuchende Fläche verteilt und an jedem die Härte bestimmt.
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 es auch möglich die Streckgrenze durch eine Eindringprüfung am realen Bauteil zu bestimmen. 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.
Eine weitere Anwendung für die instrumentierten Eindringprüfung ist die Bestimmung des Vernetzungsgrades von Lackschichten, was insbesondere bei Isolierlacken ein wichtiges Merkmal darstellt.
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