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Mehrphasiges Material mittels Nanoindentation NANOVEA

Mehrphasige Metall-Nanoindentation

Metallurgiestudie von mehrphasigen Materialien mittels Nanoindentation

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METALLURGIE-STUDIE
EINES MEHRPHASIGEN MATERIALS

MIT NANOINDENTATION

Vorbereitet von

DUANJIE LIPhD & ALEXIS CELESTIN

EINFÜHRUNG

Die Metallurgie befasst sich mit dem physikalischen und chemischen Verhalten von Metallelementen sowie deren intermetallischen Verbindungen und Legierungen. Metalle, die Bearbeitungsprozessen wie Gießen, Schmieden, Walzen, Strangpressen und Zerspanen unterzogen werden, verändern ihre Phasen, ihr Mikrogefüge und ihre Textur. Diese Veränderungen führen zu unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften wie Härte, Festigkeit, Zähigkeit, Duktilität und Verschleißfestigkeit des Werkstoffs. Die Metallographie wird häufig angewandt, um den Entstehungsmechanismus dieser spezifischen Phasen, des Gefüges und der Textur zu untersuchen.

BEDEUTUNG DER LOKALEN MECHANISCHEN EIGENSCHAFTEN EIGENSCHAFTEN FÜR DAS DESIGN VON MATERIALIEN

Fortschrittliche Materialien verfügen häufig über mehrere Phasen in einer speziellen Mikrostruktur und Textur, um die gewünschten mechanischen Eigenschaften für Zielanwendungen in der industriellen Praxis zu erreichen. Nanoindentation wird häufig zur Messung des mechanischen Verhaltens von Materialien in kleinen Maßstäben eingesetzt i ii. Es ist jedoch schwierig und zeitaufwändig, bestimmte Stellen für die Eindrückung auf einer sehr kleinen Fläche genau auszuwählen. Ein zuverlässiges und benutzerfreundliches Verfahren der Nanoindentationsprüfung ist gefragt, um die mechanischen Eigenschaften verschiedener Phasen eines Werkstoffs mit hoher Präzision und zeitnahen Messungen zu bestimmen.

MESSZIEL

In dieser Anwendung messen wir die mechanischen Eigenschaften einer mehrphasigen metallurgischen Probe mit dem leistungsstärksten mechanischen Prüfgerät: dem NANOVEA PB1000.

Hier zeigen wir die Leistungsfähigkeit des PB1000 bei der Durchführung von Nanoindentationsmessungen an mehreren Phasen (Körnern) einer großen Probenoberfläche mit hoher Präzision und Benutzerfreundlichkeit unter Verwendung unseres Advanced Position Controllers.

NANOVEA

PB1000

Nanoindenter und Kratzprüfgerät Nanovea PB1000
TESTBEDINGUNGEN

In dieser Studie verwenden wir eine metallurgische Probe mit mehreren Phasen. Die Probe wurde vor den Eindringtests auf eine spiegelglatte Oberfläche poliert. In der Probe wurden vier Phasen identifiziert, nämlich PHASE 1, PHASE 2, PHASE 3 und PHASE 4 (siehe unten).

Der Advanced Stage Controller ist ein intuitives Werkzeug zur Probennavigation, das die Geschwindigkeit der Probenbewegung unter dem Lichtmikroskop automatisch an die Position der Maus anpasst. Je weiter die Maus von der Mitte des Sichtfelds entfernt ist, desto schneller bewegt sich der Objekttisch in Richtung der Maus. Dies ist eine benutzerfreundliche Methode, um durch die gesamte Probenoberfläche zu navigieren und die gewünschte Stelle für die mechanische Prüfung auszuwählen. Die Koordinaten der Prüfstellen werden gespeichert und nummeriert, zusammen mit ihren individuellen Prüfeinstellungen, wie z. B. Belastungen, Be-/Entlastungsrate, Anzahl der Prüfungen in einer Karte usw. Ein solches Prüfverfahren ermöglicht es dem Benutzer, eine große Probenoberfläche auf bestimmte Bereiche zu untersuchen, die für die Eindringprüfung von Interesse sind, und alle Eindringprüfungen an verschiedenen Stellen in einem Durchgang durchzuführen, was es zu einem idealen Werkzeug für die mechanische Prüfung von metallurgischen Proben mit mehreren Phasen macht.

In dieser Studie haben wir die spezifischen Phasen der Probe unter dem Lichtmikroskop in der NANOVEA Mechanisches Prüfgerät gemäß Nummerierung auf ABBILDUNG 1. Die Koordinaten der ausgewählten Stellen werden gespeichert, und anschließend werden automatische Nanoindentationstests unter den nachstehend zusammengefassten Testbedingungen auf einmal durchgeführt

ABBILDUNG 1: AUSWAHL DER NANOINDENTATIONSSTELLE AUF DER PROBENOBERFLÄCHE.
ERGEBNISSE: NANOINDENTATIONEN AN VERSCHIEDENEN PHASEN

Die Eindrücke in den verschiedenen Phasen der Probe sind unten dargestellt. Wir zeigen, dass die ausgezeichnete Positionskontrolle des Probentischs im NANOVEA Mechanischer Tester ermöglicht es Benutzern, den Zielort für die Prüfung mechanischer Eigenschaften genau zu bestimmen.

Die repräsentativen Kraft-Weg-Kurven der Vertiefungen sind dargestellt in ABBILDUNG 2und die entsprechende Härte und der Elastizitätsmodul berechnet nach der Methode von Oliver und Pharriii sind zusammengefasst und verglichen in ABBILDUNG 3.


Die PHASEN 1, 2, 3 und 4 weisen eine durchschnittliche Härte von ~5,4, 19,6, 16,2 bzw. 7,2 GPa auf. Die relativ geringe Größe für PHASEN 2 trägt zu seiner höheren Standardabweichung der Werte für Härte und Elastizitätsmodul bei.

ABBILDUNG 2: LAST-VERSCHIEBUNGS-KURVEN
DER NANOINDENTATIONEN

ABBILDUNG 3: HÄRTE UND ELASTIZITÄTSMODUL DER VERSCHIEDENEN PHASEN

SCHLUSSFOLGERUNG

In dieser Studie haben wir den NANOVEA Mechanical Tester vorgestellt, der mit Hilfe des Advanced Stage Controllers Nanoindentationsmessungen an mehreren Phasen einer großen metallurgischen Probe durchführt. Die präzise Positionssteuerung ermöglicht es dem Benutzer, auf einer großen Probenoberfläche einfach zu navigieren und die für die Nanoindentationsmessungen interessanten Bereiche direkt auszuwählen.

Die Ortskoordinaten aller Vertiefungen werden gespeichert und dann nacheinander ausgeführt. Ein solches Prüfverfahren macht die Messung der lokalen mechanischen Eigenschaften in kleinem Maßstab, z. B. der mehrphasigen Metallprobe in dieser Studie, wesentlich weniger zeitaufwändig und benutzerfreundlicher. Die harten PHASEN 2, 3 und 4 verbessern die mechanischen Eigenschaften der Probe und weisen eine durchschnittliche Härte von ~19,6, 16,2 bzw. 7,2 GPa auf, verglichen mit ~5,4 GPa für PHASE 1.

Die Nano-, Mikro- und Makromodule des Geräts umfassen alle ISO- und ASTM-konforme Prüfmodi für Eindring-, Kratz- und Verschleißprüfungen und bieten damit das breiteste und benutzerfreundlichste Prüfspektrum in einem einzigen System. Das unübertroffene Angebot von NANOVEA ist eine ideale Lösung für die Bestimmung des gesamten Spektrums mechanischer Eigenschaften von dünnen oder dicken, weichen oder harten Beschichtungen, Filmen und Substraten, einschließlich Härte, Elastizitätsmodul, Bruchzähigkeit, Haftung, Verschleißfestigkeit und vielen anderen.

i Oliver, W. C.; Pharr, G. M., Journal of Materials Research, Band 19, Ausgabe 1, Januar 2004, S. 3-20
ii Schuh, C.A., Materialien heute, Band 9, Ausgabe 5, Mai 2006, S. 32-40
iii Oliver, W. C.; Pharr, G. M., Journal of Materials Research, Band 7, Ausgabe 6, Juni 1992, S. 1564-1583

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