Technisches Wiki · Oberflächen- und Materialprüfung
Nanoindentation
Ein hochauflösendes Verfahren zur Messung von Härte, Elastizitätsmodul und zeitabhängigem mechanischem Verhalten im Mikro- und Nanobereich – implementiert auf Plattformen von Rtec Instruments in Verbindung mit Tribologie, Kartierung und Umgebungssteuerung.
P_max
h_max
h_f
S = dP/dh
beim Belasten
beim Entlasten
Tiefe, h
Last, P
Abb. 1 – Kraft-Weg-Kurve (P–h): das wichtigste Ergebnis jeder Nanoindentationsprüfung
01. Überblick
Die Nanoindentation ist ein fortschrittliches Verfahren zur mechanischen Charakterisierung, das zur Messung von Material
en Eigenschaften im Mikro- und Nanobereich eingesetzt wird. In den Systemen von Rtec Instruments liefert die Nanoindentation
hochauflösende, quantitative Erkenntnisse über das Verhalten von Oberflächen und Dünnschichten, indem die
präzise gesteuert und Kraft sowie Verschiebung während der Eindrückung überwacht werden.
Diese Technik erweist sich insbesondere bei der Untersuchung kleiner Materialmengen als besonders wertvoll, bei denen herkömmliche mechanische Prüfverfahren
nicht anwendbar sind.
02. Die Philosophie von Rtec Instruments im Bereich der Nanoindentation
Rtec Instruments integriert die Nanoindentation in eine umfassendere multifunktionale Plattform und ermöglicht damit:
- Hochpräzise Kraft- und Wegregelung
- Nahtlose Integration in die Tribologie (Kratzer, Verschleiß, Reibung)
- Modulare Testkonfigurationen
- Automatisierte Kartierung und Hochdurchsatz-Workflows
- Klimaregelung (Temperatur, Luftfeuchtigkeit, optionale Vakuumsysteme)
Dieser Ansatz ermöglicht es den Anwendern, die Messung mechanischer Eigenschaften mit der Bewertung der Oberflächenleistung unter realen Bedingungen zu kombinieren.
03. Grundlagen der Messtechnik
3.1 Last-Weg-Kurve
Das wichtigste Ergebnis einer Nanoindentationsprüfung ist die Last-Weg-Kurve (P–h), die
das Materialverhalten während der Indentation darstellt (siehe Abb. 1 oben).
Wichtige Phasen
- Belastung: elastische + plastische Verformung
- Entlastung: vorwiegend elastische Rückstellung
Extrahierte kritische Parameter
- Maximale Last (P_max)
- Maximale Tiefe (h_max)
- Entlastungssteifigkeit (S = dP/dh)
3.2 Verformungsmechanismen
Die Nanoindentation untersucht das lokale Verformungsverhalten:
- Elastische Verformung – reversible Verschiebung
- Plastische Verformung – dauerhafte Materialverformung
- Zeitabhängige Effekte – Kriechen und Viskoelastizität (bei Polymeren und weichen Materialien)
04. Gemessene mechanische Eigenschaften
4.1 Härte (HIT)
Die Härte steht für die Widerstandsfähigkeit gegen plastische Verformung:
, wobei P_max = die maximal aufgebrachte Last, A = die projizierte Kontaktfläche
4.2 Elastizitätsmodul (EIT)
Der Elastizitätsmodul wird mithilfe der Oliver-Pharr-Methode ermittelt, die in der Software von Rtec Instruments implementiert ist.
Der reduzierte Elastizitätsmodul (E_r) berücksichtigt sowohl die Eigenschaften des Eindringkörpers als auch die der Probe.
4.3 Weitere Eigenschaften
Leistungsspektrum von Rtec Instruments
- Tiefenabhängiger Modul
- Kriechverhalten
- Viskoelastische Eigenschaften (Speicher- und Verlustmodul)
- Bruch- und Rissbildung (mit scharfen Spitzen)
- Analyse der Energieableitung
05. Instrumentierung
5.1 Kernkomponenten
Zu den Nanoindentationssystemen von Rtec Instruments gehören:
- Hochauflösender Aktuator (elektromagnetisch oder piezoelektrisch)
- Präzisions-Lastsensor
- Hochempfindlicher Wegsensor (kapazitiv oder interferometrisch)
- Hochentwickelte Steuerungs- und Analysesoftware
5.2 Geometrien der Eindringkörper
| Geometrie | Hauptverwendungszweck |
|---|---|
| Berkovich | Standardmessungen von Härte und Elastizitätsmodul |
| Würfelecke | Untersuchungen zu Bruchverhalten und spröden Werkstoffen |
| Sphärisch | Elastisch-plastischer Übergang und Kontaktmechanik |
06. Testmodi
6.1 Quasi-statische Eindrückung
Standardmäßige Belastungs-Halte-Entlastungs-Prüfung zur Ermittlung von Härte und Elastizitätsmodul.
6.2 Kontinuierliche Steifigkeitsmessung (CSM)
Wendet während der Belastung eine leichte Schwingung an, um die Steifigkeit kontinuierlich zu messen:
- Modul vs. Tiefe
- Charakterisierung von Dünnschichten
- Gradientenmaterialien
6.3 Dynamisch-mechanische Analyse (NanoDMA)
Wird für viskoelastische Werkstoffe verwendet:
- Speichermodul
- Verlustmodul
- Phasenwinkel
6.4 Automatisierte Zuordnung
Der Support für Systeme von Rtec Instruments umfasst:
- Rasterbasierte Einrückungszuordnung
- Visualisierung der Eigenschaftsverteilung
- Statistische Analyse über verschiedene Oberflächen hinweg
07. Datenanalyse
Die Software von Rtec Instruments bietet automatisierte und benutzergesteuerte Analysewerkzeuge:
- Erkennung von Berührungspunkten
- Kurvenanpassung und Glättung
- Kalibrierung der Flächenfunktion
- Stapelverarbeitung und Berichterstellung
7.1 Arbeitsablauf nach der Oliver-Pharr-Methode
- Ermitteln Sie die maximale Last (P_max)
- Berechnung der Entlastungssteifigkeit (S)
- Bestimmung der Kontakt-Tiefe (h_c)
- Berechnen Sie die Kontaktfläche (A)
- Härte und Elastizitätsmodul des Extrakts
7.2 Kontakttiefe
, wobei ε von der Geometrie des Eindringkörpers abhängt
08. Anwendungen
Die Nanoindentation in den Systemen von Rtec Instruments findet breite Anwendung in:
09. Vorteile der Nanoindentation mit Geräten von Rtec Instruments
- Hohe räumliche Auflösung
- Integration verschiedener Fachgebiete (Mechanik + Tribologie)
- Automatisierte Arbeitsabläufe und Zuordnung
- Hohe Wiederholgenauigkeit und Präzision
- Flexible Systemkonfiguration
10. Einschränkungen und zu beachtende Aspekte
- Die Oberflächenrauheit kann die Genauigkeit beeinträchtigen
- Der Einfluss des Substrats bei Dünnschichten
- Die Kalibrierung der Messspitze ist von entscheidender Bedeutung
- Die thermische Drift muss minimiert werden
- Für weiche Materialien ist eine angemessene Versuchsgestaltung erforderlich
11. Bewährte Verfahren
Richtlinien von Rtec Instruments
- Führen Sie regelmäßig eine Kalibrierung der Messspitze durch
- Lassen Sie das System vor dem Testen thermisch stabilisieren.
- Die Einprägtiefe <soll 10 % der Foliendicke betragen
- Verwenden Sie mehrere Einrückungen, um die statistische Zuverlässigkeit zu gewährleisten
- Verwenden Sie das Mapping für heterogene Proben
- Überprüfen Sie die Ergebnisse bei Bedarf mithilfe ergänzender Verfahren.
12. Normen und Literaturhinweise
- ISO14577 – Instrumentierte Eindringprüfung
- METHODE: Oliver, W.C. & Pharr, G.M. – Methodik
13. Hinweise für Nutzer von Rtec-Geräten
- Überprüfen Sie vor jeder Messung stets den Kalibrierungsstatus.
- Verwenden Sie vordefinierte Testvorlagen, sofern diese verfügbar sind
- Dokumentieren Sie die Testbedingungen zur Gewährleistung der Reproduzierbarkeit
- Kombinieren Sie die Nanoindentation mit Kratztests für Beschichtungen
- Nutzen Sie dynamische Messverfahren für die erweiterte Materialcharakterisierung
Zusammenfassung
Die Nanoindentation auf den Plattformen von Rtec Instruments ermöglicht eine präzise, zuverlässige und anwendungsorientierte
mechanische Charakterisierung im Kleinstmaßstab. Durch die Integration mit Tribologie, Automatisierung und
fortschrittlichen Analysemethoden erweist sie sich als leistungsstarkes Werkzeug sowohl für die Forschung als auch für industrielle Anwendungen.
