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Monatliches Archiv: Juli 2021

Der weltweit führende mikromechanische Tester

JETZT WELTWEIT FÜHREND

MIKROMECHANISCHE PRÜFUNG

Vorbereitet von

PIERRE LEROUX & DUANJIE LI, PhD

EINFÜHRUNG

Standard-Vickers-Mikro-Härteprüfgeräte haben nutzbare Belastungsbereiche von 10 bis 2000 Gramm Kraft (gf). Standard-Vickers-Makro-Härteprüfgeräte belasten von 1 bis 50 kgf. Diese Instrumente sind nicht nur im Bereich der Lasten sehr begrenzt, sondern sie sind auch ungenau, wenn es um rauere Oberflächen oder niedrige Lasten geht, wenn Eindrücke zu klein werden, um visuell gemessen zu werden. Diese Einschränkungen sind der älteren Technologie eigen, und infolgedessen wird die instrumentierte Eindringung aufgrund der höheren Genauigkeit und Leistung zur Standardwahl.

Mit NANOVEAs weltweit führendes mikromechanisches Prüfsystem berechnet die Vickershärte automatisch aus den Daten der Tiefe im Verhältnis zur Last mit dem größten jemals verfügbaren Lastbereich auf einem einzigen Modul (0,3 Gramm bis 2 kg oder 6 Gramm bis 40 kg). Da das NANOVEA Mikro-Modul die Härte anhand von Tiefen-Last-Kurven misst, kann es alle Arten von Materialien messen, auch sehr elastische. Es kann nicht nur die Vickers-Härte, sondern auch genaue Elastizitätsmodul- und Kriechdaten liefern, zusätzlich zu anderen Prüfarten wie Ritzhaftungsprüfung, Verschleiß, Ermüdungsprüfung, Streckgrenze und Bruchzähigkeit für eine vollständige Palette von Qualitätskontrolldaten.

JETZT DAS WELTWEIT FÜHRENDE MIKROMECHANISCHE PRÜFSYSTEM

In diesem Anwendungsbericht wird erläutert, wie das Mikromodul entwickelt wurde, um die weltweit führende instrumentierte Eindring- und Kratzprüfung zu bieten. Der große Prüfbereich des Mikro-Moduls ist ideal für viele Anwendungen. Der Lastbereich ermöglicht beispielsweise genaue Messungen der Härte und des Elastizitätsmoduls von dünnen harten Beschichtungen und kann dann viel höhere Lasten aufbringen, um die Haftung derselben Beschichtungen zu messen.

MESSZIEL

Die Kapazität des Mikromoduls wird mit dem dargestellt NANOVEA CB500 Mechanischer Tester von
Durchführen von sowohl Eindring- als auch Kratztests mit überragender Präzision und Zuverlässigkeit unter Verwendung eines breiten Lastbereichs von 0,03 bis 200 N.

NANOVEA

CB500

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TESTBEDINGUNGEN

Eine Serie (3×4, insgesamt 12 Eindrücke) von Mikroeindrücken wurde mit einem Vickers-Eindringkörper an einer Standardstahlprobe durchgeführt. Die Belastung und die Tiefe wurden gemessen und für den gesamten Eindruckprüfzyklus aufgezeichnet. Die Eindrücke wurden mit verschiedenen Höchstlasten von 0,03 N bis 200 N (0,0031 bis 20,4 kgf) durchgeführt, um die Fähigkeit des Mikromoduls zur Durchführung präziser Eindringtests bei verschiedenen Lasten zu zeigen. Es ist erwähnenswert, dass eine optionale Kraftmesszelle von 20 N ebenfalls erhältlich ist, die eine 10-fach höhere Auflösung für Tests im unteren Kraftbereich von 0,3 gf bis 2 kgf bietet.

Mit dem Mikromodul wurden zwei Kratztests mit linear ansteigender Belastung von 0,01 N bis 200 N bzw. von 0,01 N bis 0,5 N unter Verwendung eines konisch-kugelförmigen Diamantstifts mit einem Spitzenradius von 500 μm und 20 μm durchgeführt.

Zwanzig Mikroindentation Prüfungen wurden an der Stahl-Standardprobe bei 4 N durchgeführt, was die überragende Wiederholbarkeit der Ergebnisse des Mikromoduls im Vergleich zu den Leistungen herkömmlicher Vickers-Härteprüfgeräte zeigt.

*Mikroindenter auf der Stahlprobe

PRÜFPARAMETER

des Indentation-Mappings

KARTIERUNG: 3 VON 4 EINZÜGE

ERGEBNISSE UND DISKUSSION

Das neue Mikromodul verfügt über eine einzigartige Kombination aus Z-Motor, Hochleistungs-Wägezelle und einem hochpräzisen kapazitiven Tiefensensor. Die einzigartige Verwendung unabhängiger Tiefen- und Lastsensoren gewährleistet eine hohe Genauigkeit unter allen Bedingungen.

Herkömmliche Vickers-Härtetests verwenden Pyramiden-Eindringspitzen mit quadratischer Basis aus Diamant, die quadratisch geformte Eindrücke erzeugen. Durch Messen der durchschnittlichen Länge der Diagonale, d, kann die Vickers-Härte berechnet werden.

Im Vergleich dazu verwendet die instrumentierte Eindringtechnik von NANOVEADas Mikromodul misst die mechanischen Eigenschaften direkt aus der Messung der Eindringkraft und der Verschiebung. Es ist keine visuelle Beobachtung des Eindrucks erforderlich. Dadurch werden Fehler des Benutzers oder der Computerbildverarbeitung bei der Bestimmung der d-Werte des Eindrucks vermieden. Der hochpräzise Kondensator-Tiefensensor mit einem sehr niedrigen Rauschpegel von 0,3 nm kann die Tiefe von Eindrücken genau messen, die mit herkömmlichen Vickers-Härteprüfern nur schwer oder gar nicht visuell unter dem Mikroskop gemessen werden können.

Außerdem wird bei der von den Wettbewerbern verwendeten Auslegertechnik die Normallast über eine Feder auf einen Auslegerbalken aufgebracht, und diese Last wird wiederum auf den Eindringkörper übertragen. Eine solche Konstruktion hat einen Fehler, wenn eine hohe Last aufgebracht wird - der freitragende Träger kann keine ausreichende strukturelle Steifigkeit bieten, was zu einer Verformung des freitragenden Trägers und damit zu einer Fehlausrichtung des Eindringkörpers führt. Im Vergleich dazu übt das Mikromodul die normale Last über den Z-Motor auf die Kraftmesszelle und anschließend auf den Eindringkörper zur direkten Lastaufbringung aus. Alle Elemente sind vertikal ausgerichtet, um eine maximale Steifigkeit zu erreichen und wiederholbare und genaue Messungen von Eindrücken und Kratzern über den gesamten Lastbereich zu gewährleisten.

Nahaufnahme des neuen Mikromoduls

EINDRUCK VON 0,03 BIS 200 N

Das Bild der Eindruckkarte ist in BILD 1 dargestellt. Der Abstand zwischen den beiden benachbarten Eindrücken über 10 N beträgt 0,5 mm, während der Abstand bei niedrigeren Lasten 0,25 mm beträgt. Die hochpräzise Positionssteuerung des Probentisches ermöglicht es Benutzern, den Zielort für die Kartierung der mechanischen Eigenschaften auszuwählen. Dank der hervorragenden Steifigkeit des Mikromoduls aufgrund der vertikalen Ausrichtung seiner Komponenten behält der Vickers-Eindringkörper eine perfekte vertikale Ausrichtung, wenn er unter einer Last von bis zu 200 N (400 N optional) in die Stahlprobe eindringt. Dadurch entstehen bei unterschiedlichen Belastungen Abdrücke einer symmetrischen quadratischen Form auf der Probenoberfläche.

Die einzelnen Eindrücke bei unterschiedlichen Belastungen unter dem Mikroskop werden neben den beiden Kratzern angezeigt, wie in BILD 2 gezeigt, um die Fähigkeit des neuen Mikromoduls zu demonstrieren, sowohl Eindruck- als auch Kratztests in einem breiten Belastungsbereich mit hoher Präzision durchzuführen. Wie in den Diagrammen Normallast vs. Kratzlänge gezeigt, nimmt die Normallast linear zu, wenn der konisch-sphärische Diamantstift auf der Stahlprobenoberfläche gleitet. Es erzeugt eine glatte, gerade Kratzspur mit zunehmender Breite und Tiefe.

ABBILDUNG 1: Einrückungskarte

Mit dem Mikromodul wurden zwei Kratztests mit linear ansteigender Belastung von 0,01 N bis 200 N bzw. von 0,01 N bis 0,5 N unter Verwendung eines konisch-kugelförmigen Diamantstifts mit einem Spitzenradius von 500 μm und 20 μm durchgeführt.

Zwanzig Mikroindentationsprüfungen wurden an der Stahl-Standardprobe bei 4 N durchgeführt und zeigten die hervorragende Wiederholbarkeit der Ergebnisse des Mikromoduls, die im Gegensatz zu den Ergebnissen herkömmlicher Vickers-Härteprüfgeräte stehen.

A: EINDRUCK UND KRATZER UNTER DEM MIKROSKOP (360X)

B: EINDRUCK UND KRATZER UNTER DEM MIKROSKOP (3000X)

ABBILDUNG 2: Belastungs-Verschiebungs-Plots bei verschiedenen Maximallasten.

Die Kraft-Weg-Kurven während des Eindrucks bei unterschiedlichen Maximallasten sind in dargestellt FIGUR 3. Die Härte und der Elastizitätsmodul sind in ABBILDUNG 4 zusammengefasst und verglichen. Die Stahlprobe weist während der gesamten Testbelastung einen konstanten Elastizitätsmodul im Bereich von 0,03 bis 200 N (möglicher Bereich 0,003 bis 400 N) auf, was zu einem Durchschnittswert von ~211 GPa führt. Die Härte weist einen relativ konstanten Wert von ~6,5 GPa auf, gemessen unter einer maximalen Belastung von über 100 N. Wenn die Belastung auf einen Bereich von 2 bis 10 N abnimmt, wird eine durchschnittliche Härte von ~9 GPa gemessen.

ABBILDUNG 3: Belastungs-Verschiebungs-Plots bei verschiedenen Maximallasten.

ABBILDUNG 4: Härte und Elastizitätsmodul der Stahlprobe, gemessen mit verschiedenen Höchstlasten.

EINDRUCK VON 0,03 BIS 200 N

Zwanzig Mikroindentationstests wurden bei einer maximalen Belastung von 4 N durchgeführt. Die Last-Verschiebungs-Kurven werden in angezeigt ABBILDUNG 5 und die sich daraus ergebende Vickershärte und der Elastizitätsmodul sind dargestellt in ABBILDUNG 6.

ABBILDUNG 5: Last-Weg-Kurven für Mikroindentationstests bei 4 N.

ABBILDUNG 6: Vickershärte und Elastizitätsmodul für 20 Mikroeindrücke bei 4 N.

Die Kraft-Verschiebungs-Kurven demonstrieren die überlegene Wiederholbarkeit des neuen Mikromoduls. Der Stahlstandard besitzt eine Vickers-Härte von 842 ± 11 HV, gemessen mit dem neuen Mikromodul, verglichen mit 817 ± 18 HV, gemessen mit dem herkömmlichen Vickers-Härteprüfgerät. Die geringe Standardabweichung der Härtemessung gewährleistet eine zuverlässige und reproduzierbare Charakterisierung mechanischer Eigenschaften in der F&E und Qualitätskontrolle von Materialien sowohl im industriellen Bereich als auch in der akademischen Forschung.

Darüber hinaus wird aus der Kraft-Weg-Kurve ein Elastizitätsmodul von 208±5 GPa errechnet, das bei herkömmlichen Vickers-Härteprüfgeräten aufgrund der fehlenden Tiefenmessung während des Eindrucks nicht verfügbar ist. Mit abnehmender Belastung und abnehmender Größe des Eindrucks wird der NANOVEA Die Vorteile der Mikromodule in Bezug auf die Wiederholbarkeit im Vergleich zu Vickers-Härteprüfgeräten nehmen zu, bis es nicht mehr möglich ist, den Eindruck durch visuelle Inspektion zu messen.

Der Vorteil der Tiefenmessung zur Berechnung der Härte wird auch deutlich, wenn es sich um gröbere Proben handelt oder wenn Proben unter Standardmikroskopen, die auf Vickers-Härteprüfgeräten bereitgestellt werden, schwieriger zu beobachten sind.

SCHLUSSFOLGERUNG

In dieser Studie haben wir gezeigt, wie das neue, weltweit führende NANOVEA-Mikromodul (200 N-Bereich) unübertroffene reproduzierbare und präzise Eindruck- und Kratzmessungen in einem breiten Lastbereich von 0,03 bis 200 N (3 gf bis 20,4 kgf) durchführt. Ein optionales Mikromodul für den unteren Bereich kann Tests von 0,003 bis 20 N (0,3 gf bis 2 kgf) ermöglichen. Die einzigartige vertikale Ausrichtung des Z-Motors, der Hochleistungs-Wägezelle und des Tiefensensors sorgt für maximale strukturelle Steifigkeit während der Messung. Die bei unterschiedlichen Belastungen gemessenen Eindrücke besitzen alle eine symmetrische quadratische Form auf der Probenoberfläche. Beim Kratztest mit 200 N Maximallast entsteht eine gerade Kratzspur mit zunehmender Breite und Tiefe.

Das neue Mikromodul kann auf der mechanischen Basis PB1000 (150 x 200 mm) oder CB500 (100 x 50 mm) mit z-Motorisierung (50 mm Reichweite) konfiguriert werden. In Kombination mit einem leistungsstarken Kamerasystem (Positionsgenauigkeit von 0,2 Mikron) bieten die Systeme die besten Automatisierungs- und Kartierungsfunktionen auf dem Markt. NANOVEA bietet auch eine einzigartige patentierte Funktion (EP Nr. 30761530), die die Überprüfung und Kalibrierung von Vickers-Eindringkörpern ermöglicht, indem ein einziger Eindringvorgang über den gesamten Lastbereich durchgeführt wird. Im Gegensatz dazu können standardmäßige Vickers-Härteprüfgeräte nur eine Kalibrierung bei einer Last bereitstellen.

Darüber hinaus ermöglicht die NANOVEA-Software einem Benutzer, die Vickers-Härte bei Bedarf über die herkömmliche Methode zur Messung der Eindruckdiagonalen zu messen (für ASTM E92 und E384). Wie in diesem Dokument gezeigt, ist die von einem NANOVEA Mikromodul durchgeführte Tiefen-gegen-Last-Härteprüfung (ASTM E2546 und ISO 14577) im Vergleich zu herkömmlichen Härteprüfern präzise und reproduzierbar. Speziell für Proben, die nicht mit einem Mikroskop betrachtet/gemessen werden können.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die höhere Genauigkeit und Wiederholbarkeit des Mikromodul-Designs mit seinem breiten Spektrum an Belastungen und Prüfungen, dem hohen Automatisierungsgrad und den Mapping-Optionen die traditionellen Vickers-Härteprüfgeräte überflüssig macht. Das Gleiche gilt für Ritz- und Mikro-Ritzprüfgeräte, die derzeit noch angeboten werden, aber in den 1980er Jahren mit Mängeln entwickelt wurden.

Die kontinuierliche Weiterentwicklung und Verbesserung dieser Technologie macht NANOVEA zu einem weltweit führenden Anbieter von mikromechanischen Tests.

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