Was die instrumentierte Eindringprüfung aussagt
Härte und Steifigkeit bestimmen, wie ein Werkstoff Kratzern, Verschleiß, Verformung und Kontaktschäden widersteht. Die instrumentierte Eindringprüfung misst beides in dem Maßstab, auf den es ankommt: einer Dünnschicht, einer Beschichtung, einem einzelnen Korn, einer Polymeroberfläche, einem biologischen Gewebe. Weil Kraft und Tiefe durchgehend aufgezeichnet werden, zeigt jeder Eindruck außerdem die elastische Rückfederung, das Kriechen während der Haltezeit und Ereignisse wie Rissbildung oder Pop-in.
So funktioniert die Prüfung
- Der Eindringkörper nähert sich der Oberfläche und erkennt den Kontakt.
- Die Kraft steigt mit geregelter Rate auf ein festgelegtes Maximum. Der unabhängige Wegsensor zeichnet die Eindringtiefe durchgehend auf.
- Die Kraft wird gehalten, oft damit das Kriechen abklingt, und dann zurückgenommen, während die Tiefe weiter aufgezeichnet wird.
- Die Software wertet die Entlastungskurve aus, bestimmt Kontaktsteifigkeit und Kontakttiefe und berechnet daraus Eindringhärte und Elastizitätsmodul.
Wiederholt man dies über ein Raster, entsteht eine Eigenschaftskarte. Mit einer Positionierung auf 0,2 µm setzte die Kartierungsstudie von NANOVEA 625 Eindrücke auf 0,20 mm² und machte Körner und Porosität einer Keramik sichtbar.
Nano und Mikro in einem System
Die mechanischen Prüfgeräte von NANOVEA tragen Nano- und Mikro-Kraftmodule, die zusammen fünf Größenordnungen der Kraft abdecken. Das Nanomodul misst Dünnschichten, weiche Werkstoffe und einzelne Phasen bei Kräften im mN-Bereich. Das Mikromodul ersetzt klassische Mikrohärteprüfer: Ein Modul deckt 0,3 g bis 2 kg oder 6 g bis 40 kg ab, und die Mikromodul-Studie von NANOVEA führte auf einem CB500 Vickers-Eindrücke auf Stahl von 0,03 N bis 200 N aus.
Warum der Messaufbau wichtig ist
Die Kraft wird vertikal eingeleitet, ohne Hebelarm oder Drehpunkt, die seitliche Bewegungen oder Nachgiebigkeit verursachen könnten, und von einer vom Aktor unabhängigen Kraftmessdose gemessen. Die Tiefe misst ein kapazitiver Sensor. Beide Sensoren arbeiten in einem echten geschlossenen Regelkreis, sodass die eingestellte Kraft auch tatsächlich wirkt – selbst während der Werkstoff kriecht.
Geometrie des Eindringkörpers
- Berkovich: die Standardspitze der Nanoindentation; ihre drei Flächen treffen sich in einem Punkt, der bei kleinen Tiefen spitz bleibt.
- Vickers: vierseitig, für Mikrohärte vergleichbar mit klassischen Härteprüfern.
- Knoop: länglich, mit flachen Eindrücken für dünne Schichten und die Messung von Anisotropie.
- Kegel und Kugel: für weiche Werkstoffe und Spannungs-Dehnungs-Untersuchungen, bei denen der allmähliche Übergang vom elastischen zum plastischen Kontakt nützlich ist.
Prüfen unter Einsatzbedingungen
Härte und Modul ändern sich mit Temperatur, Feuchte und Flüssigkeitskontakt, besonders bei Polymeren. Die Studie von NANOVEA bei geregelter Luftfeuchte maß, wie die Härte einer Polymerfolie von etwa 0,60 GPa auf 0,31 GPa sank, als die relative Feuchte von 25 % auf 75 % stieg, während die Kriechtiefe zunahm. Mit Umgebungsmodulen läuft dieselbe Messung heiß, kalt, feucht, in Flüssigkeit oder im Vakuum.
