Bedeutung der Nanoindentation

Kontinuierliche Steifigkeitsmessungen (CSM), die durch Nanoindentation zeigt die Beziehung zwischen Spannung und Dehnung von Materialien mit minimalinvasiven Methoden auf. Im Gegensatz zu herkömmlichen Zugprüfungsmethoden liefert die Nanoindentation Spannungs-Dehnungs-Daten auf der Nanoskala, ohne dass ein großes Instrument benötigt wird. Die Spannungs-Dehnungskurve liefert entscheidende Informationen über die Schwelle zwischen elastischem und plastischem Verhalten, wenn die Probe steigenden Belastungen ausgesetzt wird. CSM ermöglicht die Bestimmung der Fließspannung eines Materials ohne gefährliche Geräte.

Die Nanoindentation bietet eine zuverlässige und benutzerfreundliche Methode zur schnellen Untersuchung von Spannungs-/Dehnungsdaten. Darüber hinaus ermöglicht die Messung des Spannungs-Dehnungsverhaltens auf der Nanoskala die Untersuchung wichtiger Eigenschaften an kleinen Beschichtungen und Partikeln in Werkstoffen, die immer weiter entwickelt werden. Die Nanoindentation liefert Informationen über die Elastizitätsgrenze und die Streckgrenze sowie über Härte, Elastizitätsmodul, Kriechverhalten, Bruchzähigkeit usw. und ist damit ein vielseitiges Messinstrument.

Die Spannungs-Dehnungs-Daten, die die Nanoindentation in dieser Studie liefert, identifizieren die Elastizitätsgrenze des Materials, während sie nur 1,2 Mikrometer tief in die Oberfläche eindringen. Wir verwenden CSM, um festzustellen, wie sich die mechanischen Eigenschaften von Materialien entwickeln, wenn ein Eindringkörper tiefer in die Oberfläche eindringt. Dies ist besonders bei Dünnschichtanwendungen nützlich, bei denen die Eigenschaften von der Tiefe abhängen können. Die Nanoindentation ist eine minimal invasive Methode zur Bestätigung von Materialeigenschaften in Testproben.

Die CSM-Prüfung ist nützlich, um die Materialeigenschaften in Abhängigkeit von der Tiefe zu messen. Um komplexere Materialeigenschaften zu bestimmen, können zyklische Tests mit konstanten Lasten durchgeführt werden. Dies kann nützlich sein, um die Ermüdung zu untersuchen oder den Effekt der Porosität zu eliminieren, um den wahren Elastizitätsmodul zu erhalten.

Messung Zielsetzung

In dieser Anwendung verwendet das Nanovea-Mechanikprüfgerät CSM zur Untersuchung von Härte und Elastizitätsmodul in Abhängigkeit von der Tiefe sowie von Spannungs-Dehnungs-Daten an einer Standardstahlprobe. Stahl wurde aufgrund seiner allgemein anerkannten Eigenschaften ausgewählt, um die Kontrolle und Genauigkeit der Spannungs-Dehnungs-Daten im Nanomaßstab zu zeigen. Eine kugelförmige Spitze mit einem Radius von 5 Mikrometern wurde verwendet, um ausreichend hohe Spannungen jenseits der Elastizitätsgrenze für Stahl zu erreichen.

Testbedingungen und -verfahren

Es wurden die folgenden Eindringungsparameter verwendet:

Ergebnisse:

Die Zunahme der Last während der Oszillationen ergibt die folgende Kurve zwischen Tiefe und Last. Während der Belastung wurden über 100 Oszillationen durchgeführt, um die Spannungs-Dehnungs-Daten zu ermitteln, wenn der Eindringkörper in das Material eindringt.

Anhand der bei jedem Zyklus gewonnenen Informationen wurden Spannung und Dehnung bestimmt. Anhand der maximalen Belastung und Tiefe bei jedem Zyklus lässt sich die maximale Spannung berechnen, die bei jedem Zyklus auf das Material einwirkt. Die Dehnung wird anhand der Resttiefe bei jedem Zyklus aus der Teilentlastung berechnet. Daraus lässt sich der Radius des verbleibenden Abdrucks berechnen, indem der Radius der Spitze geteilt wird, um den Dehnungsfaktor zu erhalten. Die Aufzeichnung von Spannung und Dehnung für das Material zeigt die elastischen und plastischen Zonen mit der entsprechenden elastischen Grenzspannung. Unsere Tests ergaben, dass der Übergang zwischen der elastischen und der plastischen Zone des Materials bei etwa 0,076 Dehnung mit einer Elastizitätsgrenze von 1,45 GPa liegt.

Jeder Zyklus wirkt wie ein einzelner Eindruck, so dass wir mit zunehmender Belastung Tests in verschiedenen kontrollierten Tiefen des Stahls durchführen. So können Härte und Elastizitätsmodul in Abhängigkeit von der Tiefe direkt aus den für jeden Zyklus erhaltenen Daten aufgetragen werden.

Wenn der Eindringkörper in das Material eindringt, nimmt die Härte zu und der Elastizitätsmodul ab.

Schlussfolgerung

Wir haben gezeigt, dass der Nanovea-Mechanik-Tester zuverlässige Spannungs-Dehnungs-Daten liefert. Die Verwendung einer kugelförmigen Spitze mit CSM-Eindruck ermöglicht die Messung von Materialeigenschaften unter erhöhter Belastung. Die Belastung und der Radius des Eindringkörpers können verändert werden, um verschiedene Materialien in kontrollierter Tiefe zu testen. Die mechanischen Prüfgeräte von Nanovea ermöglichen diese Eindringtests im Bereich von unter mN bis 400N.